Глава 11
МАТЕРИАЛЫ АКТИВНОЙ ЗОНЫ
ВВОДНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ
Активная зона является наиболее напряженной частью любого реактора. Быстрый реактор по сравнению с тепловым характеризуется более высокими температурами. Этим объясняется особое внимание, которое уделяется изучению поведения и выбору топливных и конструктивных материалов быстрых реакторов.
Данная глава содержит более полное изложение вопросов, касающихся проблемы материалов и затронутых в гл. 2 и частично в гл. 8—10. Всю проблему, естественно, осветить в объеме данной книги невозможно. Поэтому за детальными сведениями мы отсылаем читателя к специальной литературе, например монографии Оландера [1] по технологии материалов БР.
Глава содержит четыре параграфа, по числу основных компонентов активной зоны: топливо, конструкционные материалы, теплоноситель, материалы СУЗ. Рассматриваются требования к каждому материалу, его свойства, возможные варианты и их сравнение. Особое внимание обращается на материалы реакторов типа БН ввиду их доминирующей роли в ядерной энергетике будущего.
ТОПЛИВО
А. ТРЕБОВАНИЯ
Видимо, главным требованием к топливу быстрых реакторов является большая энерговыработка (~100 МВт-сут/кг), примерно втрое большая, чем в легководных. Это ведет к значительному накоплению продуктов деления и необходимости учитывать значительное распухание топлива и выход газообразных продуктов деления.
К топливу БР предъявляется также требование высокой удельной мощности (примерно в 4 раза больше, чем в ЛВР). Кроме того, оно должно выдерживать большие температурные градиенты, что связано с малым диаметром твэлов.
Наконец, важное значение имеет ответная реакция активной зоны на всплеск реактивности. Благоприятным фактором безопасности является мгновенная отрицательная обратная связь по температуре топлива, препятствующая развитию аварии. Физическими явлениями, обеспечивающими такую обратную связь, являются доплеровский эффект и аксиальное температурное расширение топлива.
Б. ОПРЕДЕЛЕНИЯ
При поиске материалов, удовлетворяющих перечисленным требованиям, приходится проводить разнообразные экспериментальные исследования и сравнивать различные характеристики. Поэтому начнем с терминологии, относящейся к тем физическим явлениям, которые важны при выборе того или иного топливного материала.
Энерговыработка (выгорание)
Как отмечалось в гл. 7, энерговыработка топлива определяется в единицах произведенной энергии (МВт-сут/кг). Параллельно вводится понятие глубины выгорания (или просто выгорания), характеризующее долю тяжелых ядер, претерпевших деление. Второе понятие более удобно при оценке повреждения топлива под действием излучения. Связь обеих величин установлена в § 7.3.
Механическая устойчивость
Стабильность (или нестабильность) размеров представляет интерес прежде всего при оценке объемного изменения топлива в результате облучения. Деформация топливного материала из-за радиационных повреждений играет чрезвычайно важную роль при выборе той или иной конструкции твэла и сборки. Изменение размеров обусловлено двумя физическими явлениями. Во-первых, в каждом акте деления появляется пара продуктов деления. Два новых атома обычно занимают больший объем, чем исходный. Во-вторых, вместо разделившегося атома возникает свободный объем, или вакансия. Дополнительные вакансии образуются за счет выбивания атомов из мест их расположения движущимися ядрами (продуктами деления). Выбитые и вновь образовавшиеся атомы, как правило, «застревают» между плоскостями решетки (хотя могут также занять положения вакансий). В конечном счете устойчивость размеров топливного материала сильно зависит от свойств его первоначальной кристаллической структуры.
Микроструктурные изменения
Малейшие примеси других материалов влияют на формирование и ориентацию зерен топлива. Характеристики топлива существенно меняются также под действием больших температурных градиентов, как отмечалось в § 8.2. Таким образом, последующее поведение топливного материала зависит от начальных изменений его микроструктуры. Например, при высоких температурах начинает идти процесс перераспределения пористости. При этом существенно меняется теплопроводность.
Прочность
Такие механические свойства, как твердость и прочность топлива, не играют столь важной роли, как при выборе материала оболочки. Дело в том, что дефектное топливо удерживается оболочкой. Однако чтобы предсказать поведение твэла в стационарных и переходных условиях, необходимо понимать механизм растрескивания топлива. Его возможные механические состояния в условиях облучения иллюстрируются рис. 11.1. Топливо в горячей центральной области характеризуется свойством пластичности. В менее горячей наружной области оно охрупчивается и в нем появляются радиальные трещины.
Ползучесть
Ползучесть — это монотонно изменяющаяся с течением времени деформация под действием постоянного длительного напряжения.
Упругая или мгновенная пластические деформации происходят в момент напряжения, тогда как ползучесть обнаруживается лишь по истечении большего промежутка времени. Постоянное напряжение, приводящее к ползучести топлива, создается благодаря большим температурным градиентам.
Рис. 11/1. Модель твэла с областями различных состояний облученного топлива.
- — наружный слой, содержащий трещины;
- — промежуточный слой; 3 — область пластичности, 4 — оболочка твэла
Рис 11. 2 Типичная зависимость деформации ε от времени при постоянной нагрузке
1 -упругая пластическая деформация, 2—4 — первая, вторая и третья стадии ползучести; 5 — разрыв
Если материал подвергнуть механической нагрузке, то единственными механизмами, отвечающими за дислокационное движение, являются упругая и мгновенная пластические деформации. Следовательно, дополнительные дислокации, объясняющие ползучесть, связаны с действием температуры и излучения.
Вероятность того, что участок кристаллической решетки приобретет в течение 1 с энергию Е, достаточную для возникновения дислокационного смещения, пропорциональна распределению Больцмана ехр (—E/(kT)). Поэтому скорость тепловой ползучести ε при напряжении σ можно представить в виде
ε~σ-ехр(-E/kT) (11.1)
где показатель m больше единицы. Таким образом, скорость ползучести растет с нагрузкой, а при фиксированной нагрузке растет с температурой. Такая ползучесть при повышенных температурах, но в отсутствие излучения называется тепловой ползучестью. Напротив, радиационная ползучесть обусловлена дислокациями только за счет облучения.
Типичная картина деформации во времени при постоянной нагрузке показана на рис. 11.2. Видны три стадии ползучести. Сразу после упругой и мгновенной пластических деформаций начинается первая сравнительно быстрая стадия ползучести (при температуре, по крайней мере равной половине температуры плавления). Далее начинается вторая стадия замедленной ползучести, которая переходит в последнюю стадию ускоренной ползучести перед разрушением.
Распухание
Конструкторы БР стремятся обеспечить глубину выгорания 10 % (энерговыработку ~ 100 МВт-сут/кг), что соответствует накоплению 20 % (по числу ядер) продуктов деления в первоначальном количестве тяжелых атомов. Основная часть продуктов деления остается в топливе в виде нелетучих частиц, что приводит к увеличению объема (распуханию топлива за счет продуктов деления). Об этом говорилось выше в связи с вопросом стабильности размеров. Величина распухания определяется следующим образом:
(11.2)
где V0, V — объем топлива до и после облучения. Предполагается, что измеряемый объем содержит в себе все накопившиеся при облучении нелетучие продукты деления.
Примерно 15 % общего количества продуктов деления составляют благородные газы — ксенон и криптон. Они обычно не задерживаются в топливе и выходят наружу, однако косвенно влияют на распухание (11.2).
Рис. 11.3. Качественная картина распределения газовых пузырьков в облученном топливе
1 — внутризеренные газовые пузырьки, 2 — газовые пузырьки на границах зерен
Вначале эти газы собираются в виде маленьких пузырьков внутри топливных зерен (1) и в виде более крупных— на границах зерен (2) (рис. 11.3). Это приводит к тому, что происходит дополнительное распухание топлива за счет газообразных продуктов деления.
Утечка газообразных продуктов деления из топлива
Часть газа, которая диффундирует к границам зерен, выходит оттуда наружу через сообщающиеся поры и трещины. Процесс утечки сильно зависит от микроструктуры топлива и температуры. Накапливающийся свободный газ создает давление внутри твэла, из-за чего приходится создавать газовую полость с размерами, выбираемыми из соображений допустимого давления в конце цикла облучения (см. § 8.2). Альтернативным вариантом может быть вентилируемый твэл, из которого газ свободно попадает в систему теплоносителя. Пример такой конструкции твэла дается в § 17.5. Выход газообразных продуктов деления в зависимости от глубины выгорания оксидного топлива показан на рис. 8.8.
