МОНОКАРБИД УРАНА, КАРБИДНОЕ ТОПЛИВО
Существуют три карбида урана: UC, U2C3, UC2, которые можно рассматривать как карбидное топливо. Среди них наибольший интерес представляет монокарбид урана UC. По сравнению с металлическим урановым топливом и оксидным урановым топливом, которые используются в настоящее время, UC часто считается идеальным потенциальным топливом для ядерных реакторов деления.
UC имеет изотропную гранецентрированную кубическую структуру (типа NaCl) и не обнаруживает фазовых превращений вплоть до температуры плавления. Он характеризуется более высокой плотностью атомов урана и более высокой теплопроводностью, чем UO2. Так же, как и в случае UO2, температура плавления, объемная плотность и теплопроводность UC главным образом зависят от методов порошковой металлургии, атмосферы и температуры спекания и технологии производства карбидного топлива. Благодаря более высокой плотности атомов урана и более высокой теплопроводности применение UC вместо UO2 может позволить: укрупнить тепловыделяющие элементы, что желательно для снижения стоимости их изготовления, увеличить плотность энерговыделения или повысить уровень удельной мощности и сократить размеры оборудования первых контуров ядерных реакторов, такого как корпус реактора, система трубопроводов и т.д. Кроме того, твэлы с UC должны обладать хорошей термической ирадиационной стабильностью. Топливные таблетки из UC подвержены небольшому растрескиванию и характеризуются умеренными радиационным распуханием и выделением газообразных продуктов деления.
- Изготовление топлива. Исходными материалами для приготовления UC являются металлический уран или диоксид урана (см. § 6.3). Порошок UC может быть получен: 1) методом восстановления UO2 графитом в вакууме при температурах 1800—1900 °С; 2) в результате взаимодействия порошка металлического урана с газообразным углеводородом (метаном) для науглероживания через гидрид при температуре около 650 °С (непосредственное получение порошка UC; 3) в результате взаимодействия порошкообразных урана и углерода при температурах выше 1150 °С. Для получения компактных образцов плотностью 85% теоретической спрессованные порошки, полученные методами 1 или 2, должны спекаться при температурах 1800—2000 °С. С уменьшением размера частиц порошка UC температура спекания снижается до 1800 С. Монокарбид урана быстро окисляется на воздухе. Тонкий порошок UC пирофорен. Поэтому при работе с UC необходимо проявлять осторожность и все операции выполнять в защитной атмосфере (например, в перчаточном боксе). Спекание UC также необходимо осуществлять в защитной атмосфере (аргон или вакуум). Топливные таблетки UC можно изготовить из порошка стандартными методами холодного прессования и спекания. Процесс изготовления карбидного топлива обычно называется процессом карботермического восстановления.
- Физические, теплофизические и механические свойства. Монокарбид урана представляет собой хрупкий материал, на что указывает его твердость (рис. 7.19), но имеет высокую прочность (такие свойства характерны для облученного конструкционного материала, см. §5.9). Высокая теплопроводность является главным преимуществом карбидного топлива. Ниже приведены основные физические, теплофизические и механические свойства моно карбида урана:
Рис. 7.19. Зависимость изменения твердости по Виккерсу Ну урановых карбидных топлив от содержания углерода в них
Рис. 7.20. Зависимость теплопроводности UC от температуры
Параметр решетки (25 С), А............................................... 4,961
Точка плавления, °С............................................................ Около 2400
Коэффициент теплопроводности (45 °С), Вт/(см-К) 0,327
Коэффициент термического расширения (25 —
1000 °С). ос1..................................................................... 10"*
Теплота образования (25 °С), Дж/моль.............................. 117 000
Модуль упругости, ГПа...................................................... 45
Предел текучести (деформация 0,2%), МПа...................... 7-9
Предел прочности (при изгибе, 25 °С), МПа..................... 13
Предел прочности на сжатие (параллельно направлению прессования), МПа 900
Из результатов, полученных в двух лабораториях [21, 22], следует, что твердость карбидных топлив увеличивается с повышением в них содержания углерода (графита). Приведенные экспериментальные результаты по твердости, а также данные по механической прочности и пластичности свидетельствуют о хрупкости карбидного топлива.
Из рис. 7.20 следует, что теплопроводность карбидного топлива быстро падает с ростом температуры до 750 °С (теплопроводность оксидного топлива изменяется аналогичным образом). При увеличении температуры выше 750 °С теплопроводность несколько повышается. Показанная кривая построена по экспериментальным результатам определения теплопроводности UC, приведенным в табл. 7.2.
Таблица 7.2. Теплопроводность UC
Таблица 7.3. Сравнение некоторых физических, теплофизических и механических свойств UO2 и UC
Сравнение некоторых наиболее важных физических, теплофизических и механических свойств UO2 и UC приведено в табл. 7.3.
Из табл. 7.3 видно, что важные физические, теплофизические и механические свойства UC лучше свойств UO2.
