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

Керамические соединения тория - 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

Ниже рассматриваются вопросы, связанные с подготовкой и получением некоторых керамических ториевых соединений, их ядерные и физические свойства как топлива для ядерных реакторов.

  1. Оксиды, карбиды, нитриды и сульфиды тория. Оксиды. Торий образует два оксидных соединения: ThO2 и ThO. Наиболее распространенным является ThO2 (диоксид тория), природный материал, имеющий кубическую модификацию кристаллической структуры фторидного типа. Диоксид тория имеет температуру плавления около 3000 °С и не подвержен легкому разложению. Плотность ThO2 составляет 11,39 г/см3 при комнатной температуре. Монооксид ThO имеет структуру типа NaCi.

Диоксид тория можно получить прокаливанием тория в среде кислорода, прокаливанием гидроокиси Th(OH)4 и прокаливанием соли тория в щавелевой кислоте или кальцинированием оксалата тория, т.е. Th(C2O4)2 — 6H2O. Аморфный диоксид также можно получить в кристаллической форме плавлением с бурой. Плавление с фосфатом калия дает кристалл, который относится к кубическим системам. Диоксид тория ThO2 относится к наиболее тугоплавким соединениям и в сочетании с оксидами урана UO2 и плутония PuO2 может служить топливом ядерных реакторов, являясь смесью делящихся и сырьевых нуклидов.

Карбиды. Металлический торий может легко взаимодействовать с графитом при высоких температурах с образованием монокарбида ThC и дикарбида ThC2.ThC, ThC2 и Th2С3 могут также быть получены нагреванием ThO2 и графита в электрических или индукционных тиглях (печах):
(9.5)
При недостатке углерода возможна реакция:
(9.6)
ThC2 горит ярко в воздухе (образуя диоксид) и гидролизуется в воде или сыром воздухе с образованием смеси гидрокарбидов.

При нагревании ThC2 взаимодействует с галогенами с образованием соответствующих ангидридов солей и с серой с образованием сульфида Th, ThC образует соединения с UC или PuC, которые могут быть использованы как карбидное ядерное топливо, содержащее сырьевые и делящиеся компоненты.

Нитриды. Торий взаимодействует с азотом и образует два нитрида: ThN и Th2N3. ThN имеет структуру типа FCC, т.е. кристаллическую решетку типа NaCi и является изоморфным с UN, PuN, LaN, CeN и другими соединениями. ThN может существовать в различных композициях и растворяется в решетке тория в малых количествах, что незначительно повышает точку плавления.
Нитрид тория можно использовать для получения торий-уранового или торий-плутониевого смешанного нитридного сырьевого и делящегося топлива. Th2N3 представляет собой соединение темно-красного цвета, которое можно получить либо непосредственным прокаливанием тория, либо прокаливанием смеси ThO2 с Mg или Ai в среде азота, а также прокаливанием ThC в аммонии. Th2N3 взаимодействует с водой или влажным воздухом с образованием NH3 и ThO2.

Сульфиды. ThS получают прокаливанием металлического тория с требуемым количеством сульфида водорода или восстановлением высших сульфидов гидридом тория. Сульфид тория имеет серебристый металлический блеск и плавится при температуре выше 2200 °С. ThS можно использовать для получения смешанного торий-уранового и торий-плутониевого топлив.
Среди керамических ториевых соединений, рассмотренных выше, только соединения ThO2 и ThC с UO2 и UC соответственно имеют некоторый экспериментальный или эксплуатационный опыт.

  1. Смешанные оксидные, карбидные и нитридные сырьевые и топливные композиции. Из всего набора сырьевых материалов в виде оксидов, карбидов и нитридов тория, а также топливных материалов на основе UO2, PuO2 и топлива UC, UN, PuC и PuN лишь некоторые комбинации сырьевых и делящихся материалов могут представлять практический интерес. К перспективным соединениям можно отнести следующие: (ThU)O2, (Th, Pu)O2, (Th, U, Pu)O2, (Th, U)C, (Th, Pu)C, (Th, U, Pu)C, (Th, U)N, (Th, Pu)N, (Th, U, Pu)N и т.д. Для иллюстрации и сравнения ниже приведены некоторые предварительные оценки и экспериментальные данные по различным комбинациям смешанного топлива. На рис. 9.11 приведена зависимость коэффициента воспроизводства (или конверсии) и глубины выгорания топлива (Th, U)O2 (с обогащением 235U или 233U) в тяжеловодном корпусном реакторе под давлением PHWR [14] от отношения объемов замедлителя и топлива. На рис. 9.12 — 9.14 приведены плотность смешанного оксидного (Th, Pu)O2 топлива, спеченного в гелии в течение 6 ч при температуре 1650 °С, параметры кристаллической решетки твердого раствора (Th, Pu)O2 и его точка плавления [15]. Плотность (Th, Pu)O2 растет с увеличением содержания PuO2, так как PuO2 тяжелее, чем ThO2. Параметры решетки и точка плавления твердого раствора (Th, Pu)O2, однако, уменьшаются при увеличении содержания PuO2.

Рис.  9.12. Плотность смешанного оксидного топлива ThO2-PuO2, спеченного при Т =1650 вС в течение 6 ч


Рис. 9.11. Зависимость глубины выгорания топлива и коэффициента воспроизводства от отношения объемов замедлителя и топлива для оксидного ториевого топлива, обогащенного 233U:

Рис. 9.13. Зависимость параметров решетки твердого раствора (Th, Pu)O2 от содержания PuO2
1 —  1,5% 233U, 150 Вт/см; 2 —  1,5% 233U, 300 Вт/см; 3 —  1,7% 233U, 300 Вт/см; 4- 1,7% 233U, 150 Вт/см

Рис 9.14. Зависимость точки плавления твердого раствора (Th. Pu)O2 от содержания ThO2

Аналогично для смешанных карбидных сырьевых и топливных материалов на рис. 9.15 — 9.18 приведены теплопроводность, термическое расширение, показано влияние температуры на напряжение разрушения и прочность (или твердость) карбидного смешанного топлива (Th, U)C. Для сравнения приведены также данные для соединений (Th, U)C2 и (Th, U)Bet 3. Видно, что теплопроводность и термическое расширение этих соединений растут с увеличением температуры, а напряжение разрушения и прочность уменьшаются.

Рис. 9.17. Влияние температуры на напряжение разрушения сплава U-Th Рис. 9.18. Влияние температуры на твердость сплава Th-U
Ожидается, что ядерные, физические и механические свойства различных комбинаций нитридных и сульфидных сырьевых и топливных материалов аналогичны характеристикам оксидных и карбидных смешанных топлив, приведенных на рис. 9.11 —  9.18.



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