Структура топлива сильно влияет на поведение твэла в процессе облучения и при высоких температурах. Как все керамические и металлические материалы, оксидное топливо имеет зернистое строение. Зерно представляет собой единичный кристаллик, внутри которого все атомы расположены в соответствии с кристаллической решеткой. Последняя характеризуется ячейкой, специфической для разных типов решетки.
В процессе изготовления топлива образуются зерна беспорядочной формы, но с общими граничными поверхностями. Для краткости говорят о границе зерен, имея в виду переходную зону между соседними кристалликами. На искривленных границах зерен положение атомов оказывается более устойчивым на выпуклой поверхности. Поэтому интенсивные тепловые колебаний при высоких температурах приводят к перемещению атомов от зерна с вогнутой граничной поверхностью к соседнему зерну с соответствующей выпуклой поверхностью. Рисунок 8.4 иллюстрирует тот факт, что выпуклая фигура более характерна для зерен малых размеров, и именно поэтому такие зерна имеют тенденцию расти [15]. Иначе говоря, имеет место процесс роста зерен. Следует ожидать, что из-за повышенного теплового движения атомов в реакторном топливе в условиях высокой температуры процесс роста зерен будет особенно интенсивным.
Рис. 8.4. Укрупнение зерен из-за перемещения атомов в сторону выпуклой поверхности (показано стрелками)
Действительно, сразу после пуска реактора и выхода на полную мощность, т. е. после установления рабочих температурных распределений в топливе, начинаются существенные изменения его структуры. Выше определенной температурной границы (так называемой равноосной температуры) начинается весьма быстрый рост зерен, приводящий к тому, что их размеры становятся во много раз больше по сравнению с первоначальными. Излучение не оказывает влияния на этот эффект. Именно высокая температура приводит к образованию крупных зерен. Их называют равноосными зернами.
Рис. 8 .5. Разрез твэла со смешанным оксидным топливом при энерговыработке 27 МВт-сут/кг [6]
1- центральная полость твэла, 2 — область столбчатых зерен, 3- область равноосных зерен, 4— первичная микроструктура топлива; 5 — оболочка твэла
Сопутствующим процессом при высокой температуре (особенно в центральной части твэла) является объединение и миграция пор1. Их перемещение направлено против температурного градиента (т. е. в сторону более высокой температуры). В конечном счете поры стягиваются в центре топливной таблетки, ее периферийная часть становится более плотной. Возникают очень длинные зерна, называемые столбчатыми, которые располагаются подобно спицам в колесе. В то же время в центральной части может образоваться большая цилиндрическая полость. Основная часть описанного сложного процесса общей перестройки топлива происходит в течение первых часов работы реактора на полной мощности.
1 Поры представляют собой малые пустоты в материале. Технология изготовления топлива предусматривает его пористость для компенсации радиационного распухания и теплового расширения в аномальных температурных условиях. Пористость характеризуется отношением объема пустот к объему топлива.На рис. 8.5 показан разрез таблетки смешанного оксидного топлива, проработавшего с линейной тепловой нагрузкой 56 кВт/м до энерговыработки около 27 МВт-сут/кг [6]. Четко видна центральная полость, очень длинные зерна, которые можно отнести к столбчатому типу, и крупные зерна равноосной области. Микроструктура топлива на более холодной периферийной части твэла не отличается от первоначальной. Топливо в таком состоянии называют неперестроенным.
Рис 8.6. Разрезы твэла реактора EBR 2 со смешанным оксидным топливом на разной
высоте (данные HEDL, 1979)
Черные длинные следы, простирающиеся в топливе от центральной части вплоть до оболочки, являются трещинами, которые, вероятно, возникли во время охлаждения после остановки реактора. Скорее всего их не существует в течение основного времени облучения топлива. Однако мелкие трещины в области неперестроенного и равноосного топлива образуются в процессе облучения под действием возникающих в топливе напряжений.
Другая примечательная особенность рисунка — отсутствие зазора между оболочкой и топливом в облученном твэле. Зазор исчез из-за распухания и растрескивания топлива уже в начальный период облучения.
Как было показано, перестройка топлива зависит от температуры и ее градиента. Это должно появиться в наблюдениях микроструктуры вдоль твэла БН, поскольку температурное распределение меняется с высотой. Рисунок 8.6 подтверждает этот вывод. На нем приведены разрезы твэла реактора EBR-2 с энерговыработкой до 50 МВт-сут/кг при линейной тепловой нагрузке около 36 кВт/м. Хотя высота активной зоны EBR-2 всего 34,3 см, изменение температуры с высотой оказалось достаточным, чтобы возникли существенные различия в локальной микроструктуре топлива на различных участках твэла. Далее, при изложении вопросов безопасности мы увидим, что эти различия играют важную роль в ответной реакции твэла на напряженные тепловые условия.
От микроструктуры топлива зависит также распространение газообразных продуктов деления. Из-за миграции пор в области столбчатых зерен в топливе образуются каналы вентиляции, через которые газ поступает в центральную полость Поэтому важно уметь предсказывать, где происходит перестройка топлива и как разграничиваются области с различной микроструктурой. Это можно сделать путем оценки температурных границ, разделяющих топливо, во-первых, в неперестроенном и равноосном состояниях и, во-вторых, в равноосном и столбчатом состояниях. Приближенные формулы для температур перехода состояния равноосных зерен в состояние столбчатых зерен Тстолб даются в [7]:
где t — время, ч; Т — абсолютная температура, К.
На рис. 8.7 видно, что величина Тстолб падает со временем облучения, тогда как радиус области столбчатых зерен является возрастающей функцией, в которой температура в центре твэла Т0 служит параметром [7]. Расчетные кривые построены для трех значений Т0. Величина Тстолб превышает Травноос на 58 К при 1 ч облучения и на 78 К при времени облучения 10 000 ч, как следует из приведенных выше формул. В [8] предлагаются более простые формулы для расчета температур перестройки смешанного оксидного топлива, которые в отличие от формул из [7] не зависят от времени облучения,
где χ — линейная тепловая нагрузка, кВт/м:
Рис. 8. 7. Зависимость границы (сплошная линия) и температуры (штриховая) области столбчатых зерен в оксидном топливе от времени облучения [7]
Обоснованность столь простых формул связана с тем фактом, что зазор между топливным сердечником и оболочкой закрывается на раннем этапе облучения, вследствие чего температурный градиент сильно уменьшается, а с ним уменьшается и миграция пор.
