Моделирование формирования структуры глубокого выгорания в оксидном ядерном топливе

• Автор: Лунёв, Артём Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 114 с. : ил.

Оглавление

Список сокращений и условных обозначений

Введение
1 Особенности структурных изменений оксидного ядерного топлива при длительном воздействии облучения

1.1 Данные реакторных экспериментов

1.2 Данные имитационных экспериментов

1.3 Механизмы образования структуры глубокого выгорания

1.3.1 Модель радиационной рекристаллизации (Rest - Hofman)

1.3.2 Пересмотренная модель радиационной рекристаллизации (Rest)

1.3.3 Модель реактивной диффузии (Kinoshita, Зборовский и Лиханский)

Выводы по главе
2 Эксперименты по имитации эффектов глубокого выгорания путем ионного облучения образцов модельного оксидного ядерного топлива
2.1 Выбор состава и подготовка образцов модельного ядерного топлива
2.1.1 Концепция модельного ядерного топлива
2.1.2 Выбор состава и изготовление образцов
2.1.3 Характеристика структурно-фазового состояния и подготовка образцов к облучению
2.2 Ионное облучение образцов модельного ядерного топлива
2.2.1 Взаимодействие осколка деления с оксидным ядерным топливом
2.2.2 Выбор режимов ионного облучения образцов МЯТ
2.2.2 Техника облучения образцов в ЭЦР - источнике и камере циклотрона
2.3 Результаты анализа структурно-фазового состояния облученных образцов
2.3.1 Растровая электронная микроскопия и микрорентгеноспектральный анализ
2.3.2 Атомно-силовая микроскопия
2.3.3 Рентгеноструктурный анализ
2.4 Обсуждение результатов структурно-фазового анализа и определение сценария
перестройки структуры в облученных образцах МЯТ
2.5 Проверка воспроизводимости результатов
2.5.1 Отжиг облученных образцов и анализ структурно-фазового состояния отожженных образцов
2.5.2 Результаты анализа структурно-фазового состояния отожженного образца после облучения
Выводы по главе
3 Феноменологическая модель взаимодействия дислокаций в облученном оксидном ядерном топливе
3.1 Описание модели
3.1.1 Основные предположения
3.1.2 Расчет силовых характеристик в периодических граничных условиях
3.1.3 Барьер Пайерлса
3.1.4 Скольжение дислокаций
3.1.5 Переползание дислокаций
3.1.6 Учет рождения и уничтожения дислокаций
3.2 Результаты расчетов
3.2.1 Стационарное решение для системы с постоянным числом частиц
3.2.2 Квазистационарное решение для системы с переменным числом частиц
3.3 Область применимости полученных результатов
Выводы по главе
Основные выводы
Список литературы

Список сокращений и условных обозначений
ACM - атомно-силовой микроскоп
БКР - блок когерентного рассеяния
ВВЭР - водо-водяной энергетический реактор
ИПД - имитаторы продуктов деления
ИРМиТ ГНЦ — Институт радиационного материаловедения и технологий Государственного
ФЭИ научного центра Российской Федерации «Физико-энергетический институт»
ЛЯР ОИЯИ - Лаборатория ядерных реакций им. Г.Н. Флёрова Объединенного института
ядерных исследований МРСА - микрорентгеноспектральный анализ
МЯТ - модельное ядерное топливо
ЛГУ - периодические граничные условия
РЭМ - растровый электронный микроскоп
СГВ - структура глубокого выгорания
твэл — тепловыделяющий элемент
ЦФ - цилиндр Фарадея
ЭДС - энерго-дисперсионный спектрометр
ЭЦР - электрон-циклотронный резонанс
Р WR - pressurized water reactor
rim - radiation induced microstructure
SRIM - The Stopping and Range of Ions in Matter

1.3.3 Модель реактивной диффузии (Kinoshita, Зборовский и Лиханский)
Kinoshita заметил [47], что формирующаяся при глубоком выгорании структура может иметь фрактальный характер. С математической точки зрения появление фрактальных структур может быть следствием бифуркации в уравнениях реакционной диффузии. Модель Kinoshita [47] представляет собой систему уравнений реактивной диффузии с нелинейным взаимодействием дефектов в оксидном топливе при облучении. Впервые бьгпа проведена попытка математически описать возникновение неустойчивости системы дефектов в оксидном топливе.
Исходными предположениями модели являются следующие утверждения:
• Протяженные дефекты (поры, дислокации) служат стоками для точечных дефектов. Накопление плотности дислокаций происходит в результате действия потоков точечных дефектов;
• Подвижность точечных дефектов и вакансионно-примесных комплексов при температурах -400 °С (температура периферии топливной таблетки) мала, поэтому механизм массопе-реноса радиационных дефектов в окрестности треков осколков деления ядерной частицы играет ключевую роль в процессах самоорганизации системы дефектов;
• Поверхность топливной таблетки является интенсивным стоком для точечных дефектов и их комплексов;
• Rim-слой характеризуется повышенной относительно областей среднего выгорания концентрацией газонаполненных пор со средним размером -1 мкм, содержащих газообразные продукты деления Хе/Kr. Возникновение пористости в зоне высокого выгорания связано с развитием неустойчивости в системе взаимодействующих вакансий. Подобные поры также являются стоками для точечных дефектов.
В качестве собственного междоузельного атома рассматривается только междоузельный уран. Соответствующая ему урановая вакансия [47], существует в диоксиде урана в связанном состоянии в виде комплекса VoVuVo, состоящего из двух кислородных вакансий и одной урановой вакансии. Энергия миграции такого комплекса (2,4 эВ) полагалась на порядок выше энергии миграции урана в междоузельном состоянии (0,2 эВ). При взаимодействии осколка деления урана с газонаполненной порой [47] происходит её растворение, сопровождаемое образованием группы изолированных вакансий. Поэтому кинетика накопления газонаполненных пор определяется конкурирующими процессами их роста за счёт поглощения вакансий и растворения при взаимодействии с осколком деления, либо с междоузельным атомом.
Система уравнений кинетики накопления дефектов имеет вид [47]: