Исследование влияния легирования и имитаторов продуктов деления на теплофизические свойства UO2 для обоснования работоспособности твэлов при глубоких выгораниях

• Автор: Тенишев, Андрей Вадимович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 163 с. : ил.

1. Теплофизические свойства диоксида урана

1.1. Теплоемкость диоксида урана

1.2. Теплопроводность диоксида урана

1.2.1. Фононная, фотонная и электронная составляющие теплопроводности

1.2.2. Температурная зависимость теплопроводности

1.2.3. Влияние пористости

1.2.4. Влияние нестехиометрии

1.2.5. Влияние легирования

1.2.6. Влияние облучения

1.3. Теплофизические свойства модельного ядерного топлива

1.3.1. Состав, структура и технология изготовления образцов МЯТ

1.3.2. Зависимость теплопроводности от выгорания
1.3.3. Влияние нестехиометрии на теплопроводность модельного топлива
1.3.4. Влияние газовой пористости и радиационных повреждений на теплопроводность модельного топлива
2. Измерение теплофизических свойств топливных материалов
2.1. Методы измерения теплофизических свойств топливных материалов
2.2. Метод Паркера
2.2.1. Основные соотношения метода
2.2.2. Ограничения метода Паркера и способы их устранения
2.3. Обзор установок реализующих метод Паркера
3. Разработка и создание установки “Квант” для исследования температурной зависимости теплофизических свойств топливных материалов
3.1. Конструкция установки
3.2. Система управления установкой
3.3. Программное обеспечение установки
4. Применение методов регрессионного анализа для исключения влияния утечек тепла на результаты измерения теплофизических свойств топливных материалов
5. Исследование теплофизических свойств диоксида урана и ядерного топлива на его основе
5.1. Теплофизические свойства диоксида урана
5.1.1. Влияние температуры
5.1.2. Влияние нестехиометрии
5.1.3. Зависимость теплопроводности от пористости
5.2. Влияние легирующих добавок на теплофизические свойства ІЮ2
5.2.1. Топливо с пластифицирующими добавками
5.2.2. Топливо с выгорающими поглотителями нейтронов
5.3. Рекомендуемые соотношения
6. Модельное ядерное топливо
6.1. Состав, структура, содержание имитаторов продуктов деления в зависимости от выгорания
6.2. Технология изготовления
6.3. Аттестация образцов МЯТ
6.4. Температурная зависимость теплопроводности при глубоких выгораниях (60, 80, 120 МВт-сут/кг И)

6.5. Влияние различных видов имитаторов продуктов деления (растворимые, нерастворимые, металлические) на теплопроводность МОХ топлива с имитацией выгорания 80 МВт-сут/кг ТМ
6.6. Рекомендуемые соотношения
6.7. Модельное ядерное топливо, облученное тяжелыми ионами. Имитация пт-зоны
6.7.1. Характеристики образцов и условия облучения
6.7.2. Исследования структуры и свойств, образцов МЯТ после ионного облучения
6.7.3. Влияние ионного облучения на теплопроводность модельного ядерного топлива

7. Оценка температурных режимов работы твэлов при сверхглубоких
выгораниях
7.1. Температурные поля в твэлах при выгорании 0, 60, 80 и 120 МВт-сут/кг И
Выводы
Список литературы
ПРИЛОЖЕНИЯ

Актуальность проблемы
Основным видом топлива для реакторов типа ВВЭР является диоксид урана, поэтому широкое использование UO2 в реакторах требует как можно более точного знания его свойств.
Температура, а, следовательно, и многие свойства топлива в твэле определяются коэффициентом теплопроводности Я, величина которого зависит от температуры, пористости, состава, глубины выгорания и степени нестехиометрии и02+л. В связи с этим исследованию теплофизических свойств UO2 уделяется большое внимание.
Одним из основных показателей энергетических ядерных реакторов является себестоимость 1 кВт-ч. Затраты на изготовление и эксплуатацию оксидного ядерного топлива достигают минимума при глубине выгорания 40 МВт-сут/кг U, но если учесть затраты на обращение с отработавшим ядерным топливом и радиоактивными отходами, то минимум топливной составляющей для водо-водяных реакторов АЭС смещается в сторону сверхглубоких выгораний, достигающих 80-100 МВт-сут/кг U.
Для достижения таких сверхглубоких выгораний важным является добавление в топливо интегрированных с ним выгорающих поглотителей нейтронов, таких как Gd2Cb, что улучшает безопасность ВВЭР, увеличивает загрузку в реактор топлива и повышает глубину его выгорания. При этом одним из наиболее перспективных путей повышения эксплуатационных характеристик водо-водяных энергетических реакторов является повышение ресурсных характеристик твэлов путем снижения повреждаемости их оболочек, которая проявляется и накапливается при возникновении в них растягивающих напряжений. Для решения этой проблемы в настоящее время разработано топливо на основе диоксида урана с легирующими добавками из оксидов алюминия, железа, кремния и ниобия. Однако, несмотря на важную роль легирующих добавок в улучшении характеристик топливных таблеток, теплофизические свойства легированного топлива изучены недостаточно.
При облучении в реакторе теплопроводность топлива снижается из-за накопления продуктов деления, изменения его стехиометрического состава и пористости в процессе выгорания. Кроме того, в результате исследований облученных топливных таблеток U02 до выгораний выше 40 МВт.сут/кг U было обнаружено существование на периферии таблеток ггт-зоны (radial irradiation microstructure), которая отличается очень мелким зерном, повышенной пористостью и, вероятно, значительно меньшей теплопроводностью по сравнению с внутренней областью таблетки. Исследование свойств облученного топлива является достаточно сложной задачей, поэтому данные по влиянию различных факторов на теплофизические свойства выгоревшего топлива немногочисленны.

В одной из работ, посвященных импульсному методу [53], предложен новый способ определения коэффициента температуропроводности, основанный на регистрации точки перегиба на кривой температурного роста. Он позволяет выразить коэффициент температуропроводности в следующем виде:
0,906/2
а = —ГГ“- (2-13)
я т„
где тп - время, при котором вторая производная -—-г- = 0.
( Импульсный метод позволяет помимо измерения
температуропроводности определять и другие теплофизические свойства образцов.
Теплоёмкость образцов определяют из уравнения
Ср—%г~ <2Л4>
т • Д7Г

где Д Ттах - максимальный подъём температуры на тыльной поверхности образца; Q - энергия, поглощенная образцом; т - масса образца.
Таким образом, зная поглощенную образцом энергию можно определить его теплоемкость.
Определение поглощенной образцом энергии осуществляется по эталону с известной теплоемкостью (например, сталь 12Х18Н10Т, 1Ю2). При этом полагается, что геометрические размеры (диаметр), степень черноты исследуемого материала и эталона имеют почти одинаковые значения. Энергия, поглощенная эталоном, определяется из соотношения
д = Срт-АТтш, (2.15)
где Ср - теплоемкость, т - масса, а АТтах - подогрев эталона после импульса. Изменяя энергию импульса и температуру эталона, можно получить связь между энергией, поглощенной эталоном Епогл и температурой
С>=Е(Епогл,Т). (2.16)
При сохранении диаметра и степени черноты исследуемого образца как у эталона, зависимость (2.16) переносится на исследуемый образец, что
позволяет определить его теплоемкость из соотношения
е Е(Е„^,Т) шАТ^ тАТ^
где т - масса исследуемого образца, а АТтах - подогрев образца, определенный одним из выше изложенных методов.
Теплопроводность образца при температуре Г определяется из соотношения
Х = а-Ср-рт, (2.18)
где рт, а, и Ср соответственно плотность, температуропроводность и
теплоемкость образца при температуре Т.
сР=^т¥г-= » (2.17)