ГЛАВА 5
МЕТОДЫ СОЕДИНЕНИЯ ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА С ОБОЛОЧКОЙ ТВЭЛА
Создание качественного контакта между топливом и оболочкой твэла всегда представляет значительные трудности, для преодоления которых необходимо применять множество самых разнообразных технологических приемов.
Существует три принципиально отличных друг от друга типа связи ядерного топлива с оболочкой.
- Металлургическая связь. Под металлургической связью понимают все виды соединения в металлических системах — химическое взаимодействие, диффузия, самодиффузия и пр. Так, например, если металлы сердечника и оболочки одинаковы по технологическим свойствам или почти одинаковы (двуокись урана с матрицей из нержавеющей стали в оболочке из нержавеющей стали, двуокись Урана с матрицей из алюминия в алюминиевой оболочке), то для образования металлургической связи достаточно создать контакт топлива с оболочкой и нагреть до необходимой температуры. Если материалы топлива и оболочки могут образовывать интерметаллиды, то необходимо использовать промежуточные металлические диффузионные барьеры (один-два слоя разных металлов), которые будут препятствовать образованию хрупких интерметаллидов.
Можно получить диффузионную связь разных материалов, например керамика — металл (UO2 — металл) с обжатием под давлением и одновременным нагревом. Прочную связь можно получить и без давления — через металлическую прослойку с нагревом до высокой температуры с образованием утолщенного диффузионного слоя.
Если материалы топлива и оболочки совместимы, например U—Mg, то для соединения также подбирают диффузионные прослойки, образующие при нагревании диффузионные барьеры.
Все выбранные диффузионные прослойки испытывают в полномасштабных твэлах в ядерных реакторах.
- Механическая связь. При изготовлении твэла, например, из керамического топлива и металлической оболочки (Al, Zr и др.) осуществить между ними металлургическую связь трудно. Тогда между топливом и оболочкой создают плотный контакт, который принято называть механической связью. Если между топливом и оболочкой существует зазор, оболочка должна быть прочной и противостоять наружному давлению теплоносителя. Для экономии нейтронов используют тонкие оболочки, в этом случае они должны иметь опору, например топливо. При отсутствии равновесного внутреннего и внешнего давления на оболочке могут появляться продольные или поперечные складки.
Еще большие трудности появляются вследствие различия коэффициентов теплового расширения топлива и оболочки; так, например, удлинение стопки таблеток из двуокиси урана длиной 2,5 м при температуре 1000 °С на ~25% больше, чем удлинение оболочки из циркалоя за счет разницы коэффициентов линейного расширения и распухания под облучением.
Механическую связь или необходимый оптимальный зазор можно получить обжатием оболочки на топливе или подгонкой деталей топлива и оболочки прецизионной механической обработкой.
- Связь топлива с оболочкой через теплопроводящую прослойку. Если в конструкции твэла невозможно осуществить металлургическое сцепление и создать механическое соединение из-за различия коэффициентов термического расширения, то в некоторых случаях зазор между топливом и оболочкой заполняют газовой или жидкометаллической теплопроводящей прослойкой. Иногда наличие такого зазора в твэле желательно, так как это дает топливу возможность распухать по мере его выгорания.
В качестве газовой прослойки обычно применяют гелий, а жидкометаллической служат металлы или их сплавы — Na, Na+K, Pb, Pb+Bi.
ПРОКАТКА ЗАГОТОВКИ ТВЭЛА
Заготовка твэла представляет собой сборку, состоящую из ядерного топлива с матрицей или без нее и оболочки для изготовления почти готового твэла одним из методов обработки давлением.
Для исследовательских и экспериментальных реакторов довольно широкое распространение получил простой метод прокатки, так называемая «рамочная» технология изготовления пластинчатых твэлов. Сердечник топлива в виде пластины помещают между листами оболочки и прокаткой при повышенной температуре получают (после обрезки в размер) готовые твэлы с плотным металлургическим контактом.
Как правило, топливный сердечник и оболочка имеют разные технологические свойства, что значительно затрудняет прокатку и может привести к различным дефектам — по концам твэла могут образовываться утолщения, сцепление имеет некачественный характер, в твэлах могут возникать напряжения. Если в соединяющих плоскостях появятся окисные пленки, то понизится теплопроводность и ухудшится теплопередача, температура топливного сердечника повысится, увеличатся термические напряжения и выделение газообразных продуктов деления, повысится давление и произойдет прорыв оболочки с выбросом газовых осколков в зону реактора.
Ураи-алюминиевое топливо с содержанием U<20% удовлетворительно прокатывается; при увеличении содержания урана в алюминиевых сплавах резко проявляются концевые дефекты и при прокатке может происходить отслаивание сердечника от оболочки. Кроме того, следует учитывать, что при прокатке уран-алюминиевых сплавов в алюминиевой оболочке может происходить образование интерметаллидов, что также будет уменьшать прочность сцепления.
При прокатке методом «рамочной» технологии сплавов, обладающих большой склонностью к окислению (Pu—А1 и др.), встречаются еще большие затруднения (рис. 5.1).
Рис. 5.1. Соединение сердечника топлива Pu—А1 и оболочки для прокатки методом «рамочной» технологии с использованием двойной рамки:
а — с отгазовкой; б — с отгазовкой и геттером; 1 — сердечник; 2 — рамка; 3 — алюминиевые наружные покрывные листы; 4 — трубка для отгазовки; 5 — геттер; 6 — заготовка
Сборку в течение длительного времени вакуумируют при температуре 575 °С, заваривают и многократно прокатывают при температуре 600 °С. По окончании прокатки проводят отжиг, очистку и холодную прокатку до требуемого размера, а затем проводят окончательный контроль.
На рис. 5.2 схематично представлены три упрощенных метода изготовления дисперсионных кольцевых твэлов.
По первому методу (а) сердечник в оболочке прокатывают в пластину, которую затем закатывают в трубы и заваривают места стыка. Недостатком этого метода являются повышенные требования к качеству сварного шва. Два других метода этой схемы заключаются в формировании из дисперсионной смеси сердечника в виде втулки (б) и трубчатой заготовки (в), в первом случае — прессованием и спеканием, во втором — прокаткой сердечника и спеканием. Окончательная операция для обоих случаев — волочение с целью хорошего сцепления сердечника с оболочкой и получения окончательных размеров. Для улучшения сцепления оболочки с сердечником производят нагрев до температуры немного выше температуры рекристаллизации. Все соприкасающиеся поверхности перед обработкой должны быть тщательно очищены.
Втулочный метод допускает большую загрузку ядерного топлива. В этом методе используют дисперсии с алюминием, содержащие до 65% двуокиси урана, или с нержавеющей сталью — до 40% двуокиси урана.
Трудность обеспечения сцепления сердечника с оболочкой состоит в подборе необходимых параметров обработки для технологически различных материалов топливного сердечника и оболочки.
Рис. 5.2. Методы получения трубчатых дисперсионных элементов: а —прокатка заготовок (сердечника в оболочке): 1 — в топливные пластины до необходимого размера; 2 — закатка пластин в трубы; 3 — заварка стыка; б — волочение: 1 — порошки; 2 — прессование дисперсионного топлива; 3 — спекание; 4 — покрытие топлива внутренними и наружными трубками из материала оболочек; в — разновидность метода волочения; 2 — прокатка порошков; 3 — спекание; 4 — обрезка; 5 —формовка втулок; 6 — заделка втулок в трубы; 7 — волочение для сцепления сердечника с оболочкой
Раздельную и совместную прокатку для сцепления сердечника и оболочки выполняют на обычных прокатных станах, применяемых в металлургической промышленности. Для защиты сердечника от окисления при нагреве под прокатку его обычно защищают листами оболочки; если же и оболочка окисляется, используют дополнительный лист, который затем стравливают. Для защиты от окисления можно применять прокатку в вакууме или защитной атмосфере. Для обработки радиоактивных материалов прокатный стан помещают в перчаточный бокс.
ОБЖАТИЕ ЗАГОТОВКИ ТВЭЛА РОТАЦИОННОЙ КОВКОЙ
При ротационной ковке в результате приложения пульсирующих усилий изделие обжимается со всех сторон, уменьшается в поперечном сечении и удлиняется. С помощью этого метода можно деформировать сплав на основе алюминия, малопластичные специальные сплавы, дисперсионные и керамические материалы и керметы.
Особенно эффективно применение пульсирующей горячей деформации малопластичных сплавов в области температур рекристаллизации.
В результате ротационного обжатия изменяется не только форма заготовки, но и структура и свойства обрабатываемого металла и улучшаются условия деформации.
Сущность ротационного обжатия состоит в деформировании заготовки по периметру сечения на относительно небольшом участке длины сходящимися бойками, обеспечивающими всестороннее периодическое пульсирующее приложение усилий: на малых машинах 4000 ударов в минуту и больше, а на крупных до 1800.
Металл заготовки под действием внешних сил обжимается и течет в обе стороны вдоль полости ручья вследствие различия направления сил трения, действующих на заготовку в зоне обжатия. В соответствии с этим весь очаг деформации делится на две зоны. На границе этих зон металл не течет и силы трения равны пулю. При наличии конусных бойков течение металла в обе стороны от нейтральной поверхности будет неравномерным. Для соблюдения условия захвата должно выполняться соотношение: Т/Р= |x/tg(a/2), где Т — сила трения; Р — сила обжатия; jx — коэффициент трения; a — угол заходного конуса.
Если то заготовка будет увлекаться в зону обжатия, при этом необходимо, чтобы коэффициент трения jx был больше tg(a/2).
При ротационной ковке трудно гарантировать высокое качество оболочки, особенно из циркониевого сплава. Поэтому сочетание ротационной ковки с другими технологическими процессами (прессованием, выдавливанием, волочением) улучшает свойства материала.
Для уплотнения изделия предлагается использовать новый метод— магнитно-импульсный. Принцип действия установки заключается в следующем: трубу вставляют в матрицу нужного диаметра и через катушку разряжают конденсатор высокого напряжения. Ток разряда образует мощное импульсное магнитное поле, в трубе возникают вихревые токи, при взаимодействии которых с магнитным полем появляются очень большие механические силы, деформирующие трубу. Характер формообразования определяется конфигурацией импульсного магнитного поля индуктора, концентраторами поля, матрицей, к которой прижимается заготовка. На такой машине можно подобрать условия работы под ротационную ковку для изготовления стержней из двуокиси урана.
ВИБРОУПЛОТНЕНИЕ ПОРОШКООБРАЗНОГО ТОПЛИВА В ОБОЛОЧКЕ
Как уже было сказано, в настоящее время для изготовления твэлов энергетических ядерных реакторов используют топливные таблетки UO2, (1Ю2—PuO2) и (UO2—ThO2), получаемые методом прессования и спекания. Но при изготовлении таблеток из очень твердых и прочных керамических и других порошков возникает ряд трудностей, что вызвало появление новых способов соединения топлива с оболочкой.
Уплотнение методом вибрации можно осуществить двумя способами: без пластической деформации и измельчения частиц порошка и с пластической деформацией и измельчением частиц уплотняемых порошков.
Виброуплотнение сфер одного размера позволяет получить топливо с плотностью ~62,5% теоретической, при уплотнении сфер разных размеров можно добиться плотности до 95 % теоретической.
При виброуплотнении порошков разных размеров происходит внедрение мелких частиц в пустоты между крупными. Распределение частиц с высокой плотностью зависит от продолжительности, частоты и амплитуды вибрации, размера, оптимального состава и плотности частиц. Для увеличения плотности при виброуплотнении необходимо применять сферы с высокой плотностью, полученные плавлением или спеканием.
