Моделирование процессов и явлений в оксидном ядерном топливе при высоком выгорании

• Автор: Хлунов, Александр Витальевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 118 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЯДЕРНО-ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ,
ВЫЗЫВАЮЩИХ ФОРМИРОВАНИЕ ЯШ-ЗОНЫ В ТОПЛИВНОЙ ТАБЛЕТКЕ НА ОСНОВЕ 1Ю2
1Л. Разработка математической модели
1.2. Пространственно-энергетическое распределение нейтронного поля в топливной таблетке. Скорости нейтронно-физических процессов
в пт
1.3. Проведение расчетов выгорания ядерного топлива в различных
областях топливной таблетки с учетом в них особенностей спектра
1.4. Обобщение и анализ полученных результатов
1.5. Моделирование выгорания ядерного топлива с выгорающими
поглотителями
1.6. Комбинированные твэлы с поглотителем
Выводы по главе
ГЛАВА 2. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОКСИДНОГО
ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА
2.1. Метод Паркера (лазерной вспышки)
2.2. Постановка задачи и математическая модель эксперимента
2.3. Численное решение
2.4. Определение теплопроводности образцов ГГО2
Выводы по главе
ГЛАВА 3. СТАЦИОНАРНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ В
ТВЭЛЕ ВВЭР ПРИ ГЛУБОКОМ ВЫГОРАНИИ
3.1. Постановка задачи о распределении температуры по радиусу твэла с
сердечником из оксидного ядерного топлива
3.2. Численное моделирование распределение температуры в топливном
сердечнике ядерного реактора

3.3. Постановка стационарной задачи для распределения температуры
в топливных сердечниках ядерного реактора с пт-слоем, газовым зазором и циркониевой оболочкой с оксидным слоем
3.4. Точные решения задачи стационарного распределения температуры в твэле с топливом, имеющим пт-слой, газовый зазор
и циркониевую оболочку с оксидным слоем
3.5. Результаты и обсуждение
Выводы по главе
ГЛАВА 4. ТЕРМОЭКСТРАКЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ГАЗОВ
ИЗ ТАБЛЕТОК ОКСИДНОГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА
4.1. Вакуумная термоэкстракция технологического газа из таблеток
диоксида урана
4.2. Г азовыделение из таблеток модифицированного оксидного топлива
4.3. Определение нестехиометрии таблеток на основе 1Юг
4.4. Определение влияния радиального градиента кислородного
потенциала на газовыделение из таблеток МОЯТ
4.5. Кинетика выделения из спеченных таблеток модельного А/ОХ-топлива иуСеуОг+х технологических газов
и их количественный анализ
4.5.1. Характеристика образцов модельного А/ОХ-топлива ЦцуСеуОг+х
4.5.2. Рентгенографический анализ таблеток ицуСе-уОг+х
4.5.3. Исследование газовыделения из образцов 11; .уСъуОг±х
4.5.4. Обсуждение результатов
4.6. Модельное представление о физико-химических и диффузионных процессах при термоэкстракции технологического газа
из спеченных образцов на основе диоксида урана
Выводы но главе
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы.
В мировой атомной энергетике работают реакторы различного типа на тепловых и быстрых нейтронах. Одним из путей реализации существующей в ядерной энергетике тенденции к снижению стоимости топливного цикла является увеличение глубины выгорания топлива. При этом снижается стоимость топливной составляющей и расходы на переработку, транспортировку и хранение отработавшего ядерного топлива. Кроме того, повышение длительности использования тепловыделяющих сборок в ядерных реакторах снижает эксплуатационные расходы и повышает коэффициент использования мощности АЭС [1].
Увеличение глубины выгорания целесообразно как с точки зрения позитивного решения экономических вопросов, так и по причине вовлечения в большую энергетику высокообогащенного урана и плутония из запасов, поскольку переход на глубокие выгорания и длительные кампании топлива невозможны без увеличения степени обогащения уранового топлива или добавления к нему плутония.
Наибольший эффект можно получить при использовании плутония в реакторах на быстрых нейтронах, но поскольку их количество в мире ограничено, а строительство новых реакторов только планируется, то наиболее распространенным решением использования плутония (как полиизотопного, так и оружейного) является разбавление его обедненным или природным ураном до 5 % для получения смешанного уран-плутониевого топлива (МОХ -топлива).
При глубоком выгорании оксидного ядерного топлива происходят существенное изменение структурно-фазового состояния (СФС), химического состава и плотности топливного сердечника твэла [2-4]. По мере накопления продуктов деления (ПД) изменяется кислородный потенциал и выделяются новые локализованные фазы в объеме диоксида [5-7], увеличивается толщина наиболее поврежденного поверхностного слоя топливной таблетки, известного как пот-зона или пот-слой [8,9]. В пот-зоне в процессе облучения происходит диспергирование исходных зерен с типичным размером -15 мкм на субзерна с размером 0,2-0,3 мкм и низкой плотностью дислокаций. В результате этого при увеличении выгорания и накоплении продуктов деления топлива в поверхностном слое таблеток формируется мелкозернистая пот-структура с повышенной газовой пористостью достаточно крупного (микрометры) размера. Например, при среднем по топливу выгорании 105 ГВт-сут/т и локальное выгорание в поверхностном слое таблетки достигает 300 ГВт-сут/т и, и при этом образуется структура

0,6 0,8 Время, с
Рис.2.2. Численное и аналитическое решение задачи теплопроводности (2.6)-(2.9) при пренебрежении инфракрасным излучением (коэффициенты серости равны нулю)
Исследуем влияние формы импульса на численное решение задачи теплопроводности. Для этого рассмотрим три различных формы лазерного импульса:
Р(г)

/>(/)

—, 0<г <-

2 (г-/)
- '(0 = «Р
(2.24)
(2.25)
(2.26)
Первый вариант формы импульса (2.24) - прямоугольник, второй вариант (2.25) -треугольник, наконец, в третьем случае импульс (2.26) имеет форму распределения Гаус-са. Легко проверить, что функции мощности (2.24)-(2.26) удовлетворяют условиям нормировки мощности (2.11).
Кривые нагрева образца, соответствующие трем формам лазерного импульса (2.24)-(2.26) на границе образца х = I (сосчитанные в задаче без остывания за счет инфракрасного излучения) в пределах толщины линии совпадают. Это свидетельствует о том, что при малой длительности импульса решение задачи теплопроводности зависит только от интегральной характеристики импульса - количества энергии, поглощенной образцом.