Стартовая >> Архив >> Генерация >> Материалы ядерных энергетических установок

Керамический уран - Материалы ядерных энергетических установок

Оглавление
Материалы ядерных энергетических установок
Ядерная энергия и материалы
Легководный реактор LWR
Тяжеловодный реактор HWR
Реактор типа LMFBR
Перспективы использования термоядерной энергии
Радионуклидное производство энергии и ее использование
Требования, предъявляемые к выбору ядерных материалов
Свойства реакторных материалов
Анализ специфических свойств материалов при их выборе для ядерных реакторов
Выбор материалов и анализ конструкции с помощью ЭВМ
Компоненты и материалы ядерных реакторов деления
Ядерные топливные материалы
Конструкционные материалы
Материалы органов регулирования, теплоносители
Материалы защиты, системы аварийной защиты
Атомная электростанция (с реактором деления)
Фундаментальные радиационные явления в материалах
Радиационное повреждение нейтронами
Влияние облучения на реакторные материалы
Влияние облучения на физические свойства материалов
Влияние облучения на механические свойства материалов
Влияние облучения на коррозию, свелинг
Отжиг радиационных повреждений, влияние облучения на свойства при низких температурах
Металлический уран
Коррозия урана
Сплавы урана
Влияние облучения на урановое топливо
Керамический уран
Диоксид урана
Радиационное распухание оксидного топлива
Радиационная ползучесть оксидного топлива
Выделение газообразных продуктов деления из оксидного топлива
Монокарбид урана
Нитрид, силицид и сульфиды урана
Коррозия керамического урана, техника безопасности
Плутоний
Металлические сплавы плутония
Керамические соединения плутония
Смешанное керамическое уран-плутониевое топливо
Коэффициент воспроизводства, избыточный коэффициент и время удвоения плутония
Радиационные эффекты плутония
Коррозионные эффекты плутония
Меры безопасности при работе с плутонием
Торий
Свойства тория
Получение и сплавы тория
Керамические соединения тория
Радиационные и коррозионные эффекты тория
Радиоактивный распад в торий-урановом топливном цикле
Конструкционные материалы: металлы
Конструкционные материалы: бериллий и его соединения
Конструкционные материалы: магний
Конструкционные материалы: алюминий
Конструкционные материалы: цирконий
Конструкционные материалы: нержавеющая сталь и никелевые сплавы
Конструкционные материалы: керамика и керметы
Влияние облучения на конструкционные материалы
Коррозия конструкционных материалов
Материалы замедлителя и отражателя
Графит
Материал бланкета
Материал теплоносителя
Материалы систем регулирования, защиты и аварийной защиты
Защита реактора
Системы аварийной зашиты реактора и используемые в них материалы
Материалы в топливных циклах, процессах обогащения и переработки топлива
Обогащение топлива
Переработка топлива
Материалы, используемые в процессах переработки отработавшего топлива
Переработка ядерного топлива
Топливные материалы, участвующие в U-Pu-топливном цикле
Тепловыделяющие элементы
Связующий материал твэлов
Материалы, применяемые при изготовлении твэлов
Каналы для теплоносителя и системы трубопроводов
Корпуса реакторов под давлением
Радиационные эффекты при работе материалов ядерного топлива и конструкционных материалов
Коррозия и трещины материалов твэлов, коррозия каналов теплоносителя
Образование коррозионных и усталостных трещин и течей в каналах для теплоносителей, трубопроводах
Материалы радионуклидных генераторов энергии и термоядерных реакторов
Радионуклидное топливо
Материалы оболочек, материалы и теплоносители радионуклидных генераторов
Концептуальные проекты термоядерных реакторов
Компоненты и материалы термоядерных реакторов
Материалы для изготовления магнитной системы и системы безопасности термоядерных реакторов
Взаимодействие материалов с первой стенкой термоядерного реактора
Материалы первой стенки термоядерного реактора и влияние на них облучения

ГЛАВА 7
КЕРАМИЧЕСКИЙ УРАН

ВВЕДЕНИЕ

Для улучшения топливных характеристик и повышения теплового коэффициента полезного действия атомной электростанции рабочие температуры твэлов и АЭС должны быть максимально высокими. Повышение рабочих температур металлического топлива может привести к плавлению в центральных участках твэла металлического топлива из-за его низкой температуры плавления и к чрезмерному радиационному распуханию и радиационной ползучести вследствие радиационной нестабильности металлического топлива при высоких температурах (см. §6.7) [1-3].
Основные преимущества, которые были реализованы при использовании оксидного керамического топлива и ожидаются в случае использования карбидного и нитридного керамических топлив вместо металлических урановых топлив, заключаются в: 1) возможности эксплуатации топлива и АЭС при более высоких температурах, поскольку температура плавления керамических топлив существенно превышает температуру плавления металлических топлив, 2) хорошей радиационной (размерной, структурной и объемной) стабильности из-за отсутствия низкотемпературных фазовых превращений, 3) высокой стойкости к коррозии, окислению и взаимодействию с теплоносителем в результате относительной химической инертности и совместимости с материалами оболочек и реакторного теплоносителя (вода, пар и т.д.). Поэтому в отношении улучшения топливных характеристик и повышения теплового коэффициента полезного действия атомных электростанций керамические урановые топлива, как правило, превосходят обсуждавшиеся выше металлические урановые топлива [4, 5].
Несколько керамических урановых топлив были предложены, разработаны и испытаны. К наиболее интересным и изученным топливам относятся диоксид урана UO2, монокарбид урана UC, нитрид урана UN, сульфид урана US и силицид урана USi. Керамические топлива должны иметь большое число атомов урана в единице объема топлива, чтобы не прибегать к высокому обогащению урана, низкое массовое число   и небольшое сечение поглощения нейтронов неделящегося компонента соединения для экономии нейтронов. Перечисленные ядерные свойства учитываются при выборе керамического топлива в ходе проектирования ядерного реактора.
Керамические топлива (керамики) — твердые неорганические неметаллические материалы с высокой температурой плавления. Межатомные связи в керамиках преимущественно ионные или ковалентные. Поэтому керамики можно использовать при высоких температурах.

КЕРАМИЧЕСКИЕ УРАНОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Керамические урановые соединения, применяемые в качестве ядерных топлив, могут входить в системы уран—кислород, уран—углерод и уран—азот. В системе уран—кислород наинизший оксид UO образуется в виде тонкой пленки на поверхности металлического урана при кратковременных выдержках на воздухе. Диоксид урана UO2 может существовать в виде соединений, состав которых может изменяться в широких пределах в зависимости от температуры и окружающей среды.
Оксид U3O7 (нестабильная смесь 2UO2+UO3) образуется при температуре около 150 °С, а оксид U3O8 — при температуре около 375 °С. При температурах выше 450 °С оксид U3O8 нестабилен и при температурах выше 1150 °С снова превращается в диоксид урана:
(7.1)
Аналогичным образом
(7.2)
В процессе работы оксидного топлива степень стехиометрии или химический состав соединения UO2 могут меняться. Если отношение атомов кислорода к атомам урана O/U = 2 может поддерживаться постоянным, то UO2 называется стехиометрическим топливом. При недостатке кислорода (или избытке урана) отношение O/U < 2,0 и UO2_* называется гиперстехиометрическим топливом. С другой стороны, в случае избыточного количества кислорода отношение O/U > 2,0 и UO2 + х называется гипостехиометрическим топливом. Гипостехиометрическое топливо (UO2 + х или PuO2 + *) может оказывать влияние на теплопроводность, радиационную стабильность и выделение газообразных продуктов деления топлива.
Отклонение от стехиометрии в результате самодиффузии в топливе или взаимной диффузии материалов топлива и оболочки с образованием гиперстехиометрического или гипостехиометрического топлива во время работы реактора делает составы соединений UO2 и PuO2 более сложными. Сказанное выше в равной мере относится и к гиперстехиометрическому, гипостехиометрическому и стехиометрическому топливам UC и PuC.

Таблица 7 1 Некоторые ядерные и физические свойства соединений урана
ядерные и физические свойства соединений урана
Среднее число нейтронов, испускаемых при поглощении одного теплового нейтрона

Некоторые ядерные и физические свойства керамических урановых топлив, заимствованные из различных источников, приведены в табл. 7.1. Диоксид урана UO2 используется в современных тепловых энергетических реакторах (легководные и тяжеловодные реакторы и т.д.). Монокарбид урана UC является потенциальным топливом, которое находится сейчас в стадии разработки и исследований. Нитрид урана UN — альтернативное потенциальное топливо для будущих тепловых энергетических реакторов. Оно также находится сейчас в стадии исследований и разработки. В качестве смешанных керамических топлив UO2 • PuO2 или (U, Pu)O2 используется в быстрых реакторах-размножителях с жидкометаллическим теплоносителем, a UC PuC и UN PuN или (U, Pu)С или (U, Pu)N разрабатываются в настоящее время как перспективные топлива для будущих быстрых реакторов-размножителей с жидкометаллическим теплоносителем.



 
« Магнитный фильтр-сепаратор в схеме очистки производственного конденсата   Метод определения параметров тепловой изоляции паротурбинных блоков ТЭС »
электрические сети