РАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ
Радиационные эффекты тория, рассматриваемые ниже, можно разделить на радиационные эффекты металлического тория и его сплавов и радиационные эффекты смешанных керамических соединений.
- Влияние облучения на металлический торий и его сплавы.
Pic. 9.19. Зависимость глубины выгорания смешанного топлива (Th, UK>2 и (Th, PuX>2 от отношения объемов замедлителя и топлива в реакторах типа CANDU
Рис. 9.20. Зависимость глубины выгорания твэлов из смешанного оксидного топлива (Th, UK>2 и (Th, РиКb от отношения объемов:
--------- - результаты, полученные Кэролем;------------------------------------ результаты Думлэка и
Весткота; — ------------ результаты Думлэка и др.
Металлический торий имеет FCC-кристаллическую структуру в условиях рабочих температур в реакторе и характеризуется незначительной размерной и объемной нестабильностью в отличие от поведения под облучением урана и плутония. Основная причина радиационной стабильности тория связана с изотропностью его кристаллической структуры, которой не обладают ни U, ни Pu. При облучении металлического тория и его сплавов, однако, наблюдается увеличение предела текучести, предела прочности, модуля упругости и твердости (в терминах удлинения и уменьшения площади поперечного сечения).
- Влияние облучения на смешанные керамические соединения. Радиационные эффекты в чистых керамических соединениях, таких как ThO2, ThC и ThN, имеют небольшой практический интерес. Большой интерес для проектирования реакторов представляют радиационные эффекты в смешанных керамических соединениях: (Th, U)O2, (Th, U) С, (Th, U)N, (Th, Pu)O2, (Th, Pu)C и (Th, Pu)N.
В проектах тяжеловодных реакторов существует два направления: канальные реакторы типа CANDU и корпусные реакторы под давлением типа PHWR. Для торий-уранового топливного цикла и модифицированного торий-уранового топливного цикла тяжеловодных реакторов предполагается отказ от процесса обогащения топлива по 235U (что исключает затраты на разработку технологии и строительство обогатительных заводов). В торий-урановом топливном цикле обычно рассматривается сочетание: ThO2—233UO2-D2O, ThO2 — 233UO2-H2O или H1O2 —235UO2 —D2О, ThO2-235UO2-H2O. На рис. 9.19, 9.20, представлена оценка зависимости глубины выгорания от отношения объемов кг*м3 /топл тяжеловодного реактора типа CANDU для следующих комбинаций: ThO2—235UCb —D2О, ThO2—235UO2 —D2О и ThO2-239Pu-D2O (здесь гзам и гтопл — объемы замедлителя и топлива соответственно).
Рис. 9.21. Расчетная зависимость допустимого флюенса нейтронов от доли внутреннего покрытия микротоплива (полная толщина покрытия равна 1/3 диаметра топливного керна)
Видно, что расчетные значения глубины выгорания канальных тяжеловодных реакторов типа CANDU больше, чем корпусных реакторов при тех же обогащениях 233U и 239Pu.
Для высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов или конверторов часто рассматривается микротопливо на основе оксидов (Th, U)O2 и карбидов (Th, U)C, имеющее покрытие в виде пиролитического углерода и хорошо удерживающее газовые осколки деления. Целостность такого топлива изучалась на экспериментах [21—24]. Теоретический анализ и результаты экспериментов показали, что радиационная стабильность и работоспособность микротоплива обеспечивается по крайней мере двумя покрытиями топливных частиц: плотным внешним слоем для основных продуктов деления и внутренним споем с меньшей плотностью для защиты внешнего покрытия от бомбардировки осколками деления и создания пространства для сбора газовых осколков и компенсации распухания топливных частиц. Для изучения характеристик микро топлива в дополнение к радиационным результатам были разработаны аналитические модели. На рис. 9.21 приведены оценки зависимости допустимого флюенса топливных элементов от отношения толщины внутреннего покрытия к толщине внешней оболочки для трех соотношений торий — уран: 7:1, 3:1 и 0:1. Наблюдается увеличение кампании твэлов примерно в 2 раза при толщине внутреннего покрытия 60-70% общей толщины двойного покрытия по сравнению с кампанией твэлов HTGR или AGR, где толщина внутреннего слоя не превышает 20-30%.
КОРРОЗИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ
Коррозионному поведению сырьевых материалов в торий-урановом или усовершенствованном торий-урановом циклах уделяется серьезное внимание.
Оксид тория в воздухе при низких температурах образует защитную пленку. При высоких температурах пленка трескается и окисление развивается линейно в соответствии с ростом температуры (тепло выделяется за счет реакции окисления). Линейная зависимость скорости коррозии от температуры меняется на параболическую при температуре около 1150 °С, что часто называют параболическим законом коррозии [26].
Рис. 9.22. Окисная коррозия карбидного (90% Th - 10% U)C топлива в сыром воздухе
Торий имеет низкую коррозионную стойкость в воде при любых температурах. Реакция окисления образует при температуре примерно 100 °С плотную окисную пленку. При температурах в диапазоне 150— 350 °С пленка быстро растет на поверхности тория, затем трескается и разрушается, что резко увеличивает скорость коррозии на свежей поверхности металла, находящегося в контакте с водой.
Торий имеет хорошую коррозионную стойкость по отношению к большинству жидких металлов, таких как Li, Na, К, вплоть до температур 900 °С. Увеличение коррозии не наблюдается до 600 °С. При низкой температуре скорость коррозии смешанных керамических торие- вых соединений ведет себя по-разному. Соединение (Th, U)Bet3 долгое время почти не взаимодействует с воздухом. Торий-урановые монокарбиды (Th, U) С и дикарбиды (Th, U)C2 бурно взаимодействуют с влажным воздухом и образуют полувязкий оксидный порошок. Скорость коррозии ThC и (Th, Ц)С много выше, чем у UC или PUC. Для сравнения на рис. 9.22 показано окисление (Th0.9U0.1)C в сыром воздухе при различных температурах. Здесь привес смешанного карбида представляет собой невязкий огненый порошок [16]. Видно, что экспериментальные значения скорости коррозии растут с увеличением температуры.
