Закономерности изменения микроструктуры и распределения ксенона в UO2 при высоком выгорании в условиях ВВЭР

• Автор: Никитин, Олег Николаевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Димитровград
• Количество страниц: 109 с. : ил.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Диоксид урана в виде спечённых таблеток используется в качестве топлива в ядерных энергетических реакторах на тепловых нейтронах. Эффективность использования топлива определяется уровнем достигнутого выгорания и02, и его повышение является одной из актуальных задач ядерной энергетики. Современные конструкции тепловыделяющих элементов (твэлов) реакторов с водой под давлением типа ВВЭР должны обеспечивать выгорание более 70 МВт-сут/кг И. При изменении условий эксплуатации требуется определение допустимых пределов работоспособности элементов активной зоны в стационарных, переходных и аварийных режимах. Ядерное топливо представляет собой такой компонент реактора, состояние и свойства которого изменяются при эксплуатации наиболее динамично. Повышение выгорания топлива инициирует физические процессы, которые обусловливают не только количественное изменение его характеристик, но и качественно новое его состояние, не наблюдавшееся ранее при проектном выгорании. Поэтому определение допустимых пределов работоспособности твэлов при повышении выгорания основывается на глубоком изучении процессов, происходящих в топливе, и их влиянии на состояние твэлов.
Два основных фактора определяют состояние высоковыгоревшего топлива энергетических реакторов на тепловых нейтронах: реструктуризация в
низкотемпературной внешней области топливного сердечника и накопление газообразных продуктов деления. При увеличении среднего по радиусу твэла выгорания выше 40 МВт-сут/кг и начинается реструктуризация топлива во внешней кольцевой области таблетки - образование пористой и мелкозернистой зоны, распространяющейся от периферии вглубь топливного сердечника. Этот краевой эффект (п'щ-эффект) наблюдается в условиях низкой рабочей температуры при превышении предельного значения локального выгорания, которое увеличивается вдоль радиуса к краю таблетки вследствие неравномерного накопления плутония.
Одной из особенностей топлива в краевой зоне (г1т-зоне) является уменьшение способности матрицы удерживать образующиеся газообразные продукты деления. Поэтому явление реструктуризации топлива следует рассматривать вместе с анализом поведения газообразных продуктов деления, накапливающихся в большом количестве и во многом определяющих состояние и эксплуатационные характеристики топлива - распухание, теплопроводность, давление газов в твэле, механическое взаимодействие с оболочкой.

Как следует из литературного обзора, явление реструктуризации топлива и поведение газообразных продуктов деления (ГПД) в стационарных и переходных режимах с повышением мощности интенсивно исследуются за рубежом в рамках интернациональных и национальных проектов с целью поиска способов управления процессами, определяющими изменение состояния топлива, учёта при проектировании и эксплуатации твэлов, разработки и верификации моделей и расчётных кодов. Конструктивные особенности отечественных топливных таблеток и отличие условий облучения в отечественных водо-водяных энергетических реакторах (ВВЭР) от условий в иностранных реакторах вызывают необходимость исследовать эти процессы применительно к отечественным материалам и условиям. В России разработка моделей физических процессов в ядерном топливе под облучением и твэльных кодов осуществляется в РНЦ «Курчатовский институт», ФГУП ВНИИНМ, ФГУП РФ ТРИНИТИ, ИБРАЭ РАН, МИФИ. Основой для разработки и верификации моделей и кодов являются экспериментальные результаты послереакторных исследований топлива и твэлов, осуществляемых, в частности, в ГНЦ НИИАР.
Цель и задачи работы. Цель работы - выявление закономерностей распределения ксенона и изменения микроструктуры оксидного топлива в тепловыделяющих элементах отечественных водо-водяных энергетических реакторов на тепловых нейтронах, вызванных радиационно-индуцированными процессами при высоком выгорании.

Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Выявление и анализ экспериментальных закономерностей наработки и накопления ксенона в различных микроструктурных составляющих топливных таблеток и02со средним выгоранием до 71 МВт-сут/кг и.
2. Выявление закономерностей изменения микроструктуры и02 по радиусу топливных таблеток при различных уровнях выгорания.
3. Усовершенствование и верификация методик количественного электронно-зондового рентгеноспектрального микроанализа неодима и ксенона применительно к высоковыгоревшему топливу реакторов ВВЭР.
4. Разработка и верификация методик расчета локального выгорания топлива и наработки ксенона при облучении в реакторах ВВЭР.
Научная новизна:
1. Разработана физико-математическая модель выгорания, учитывающая неравномерность скорости образования плутония за счёт резонансного захвата

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ ПО ФОРМИРОВАНИЮ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВАМ ВЫСОКОВЫ-
ГОРЕВШЕГО ТОПЛИВА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ НА ТЕПЛОВЫХ НЕЙТРОНАХ
1Л. История вопроса и терминология
Первое сообщение о микроструктурных изменениях, происходящих при высоком выгорании в топливе 1Ю2, было сделано в 1963 году [9]. Электронно-микроскопические исследования облучённых образцов топлива показали, что при выгорании около 75 МВт-сут/кг и произошло деление исходных зёрен с типичным размером 15 мкм на субзёрна с размером менее 1 мкм, в результате чего была сформирована чрезвычайно мелкокристаллическая структура.
Аналогичное явление наблюдалось на образцах топлива после облучения в исследовательском реакторе СМ-2 [10]. Структура и02, облученного в виде цилиндрических образцов до выгорания 11,4 % т.а., представления на рис.
1.1, была исследована методом реплик на трансмиссионном электронном микроскопе. Во внешней (по радиусу) части образца, облучавшейся при температуре около 800 °С до выгорания 11,4 % т.а., произошло деление зерна на субзерна размером 0,4 + 1 мкм (рис. 1.1, а). В средней части (по радиусу) образца, где температура облучения была около 1 ООО °С, размер субзёрен оказался больше, чем на периферии, и составлял 1 2 мкм (рис. 1.1, б)
центральной части образца, где температура облучения была около 1300 °С, деление зерен на субзёрна не произошло (рис. 1.1, в).
а б в
Рис. 1.1. Микроструктура 1Ю2 после облучения до выгорания 11,4 % т.а. при различной температуре [10]: а - -800 °С; б - -1000 °С; в - -1300 °С
В то время обнаруженное явление не было исследовано детально, так как выгорание топлива в энергетических реакторах на тепловых нейтронах было