Экспериментальное и расчетное обоснование использования оксидного топлива с низким сопротивлением деформированию в ТВЭлах энергетических реакторов

• Автор: Соколов, Андрей Николаевич
• Шифр специальности: 05.14.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 137 с. : ил.

Введение
1. Анализ экспериментальных результатов и теоретических моделей ползучести, уплотнения и распухания диоксида урана.
1.1. Основные закономерности изменения скорости ползучести диоксида урана в термических условиях

1.1.1. Зависимость скорости ползучести диоксида урана от напряжения и температурь1

1.1.2. Влияние отклонения от стехиометрического состава на скорость ползучести диоксида урана.

1.1.3. Зависимость скорости ползучести от размера зерна и пористости

1.1.4. Влияние легирования на скорость ползучести диоксида урана

1.2. Основные закономерности изменения радиационной скорости ползучести, распухания и уплотнения топлива на основе диоксида урана
1.2.1. Зависимость скорости ползучести диоксида урана в условиях реакторного облучения от выгорания, напряжения, температуры и плотности деления

1.2.2. Влияние структуры и состава топлива на скорость радиационной ползучести

1.2.3. Распухание и уплотнение оксидного топлива

1.2.4. Влияние легирования и размера зерна на распухание и выход ГПД
1.3. Модели и механизмы, описывающие термическую ползучесть твердых тел
1.3.1. Дислокационные модели ползучести.
1.3.2. Диффузионная ползучесть и скольжение по границам зерен.
1.3.3. Влияние на механические свойства поликристаллических тел межзеренной фазы.
Оценка величины эффективного тензора вязкости поликрнсталлического тела
1.3.4. Особенности механизмов деформации диоксида урана.
1.4. Модели, описывающие радиационную ползучесть твердых тел.
1.4.1. Механизм Ь1РА
1.4.2. Петлевые механизмы.
1.4.3. Механизмы, учитывающие скольжение дислокаций.
1.4.4. Феноменологические модели ползучести диоксида урана под облучением.
1.5. Выводы
2. Методики и экспериментальные средства для исследования механических свойств оксидного ядерного топлива.
2.1. Условия эксплуатации твэлов энергетических реакторов и технические требования к экспериментальным средствам
2.2. Методика и экспериментальные средства исследования радиационной ползучести.
2.2.1. Конструкция установки для исследования радиационной ползучести оксидного топлива.
2.2.2. Проектировочный теплофизический расчет установки ПОСТУРАЛМ.
2.2.3. Установка для исследования радиационного уплотнения и распухания оксидного топлива.
2.2.4. Проектировочный теплофизический расчет установки РАСТУРАЛ.
2.3. Системы обеспечения, управления и регистрации данных виутриреакторных установок
2.3.1. Система измерения деформации.
2.3.2. Система автоматизированного контроля и регулирования температуры.
2.3.3. Система нагружения и обеспечения атмосферы.
2.3.4. Программное обеспечение систем измерения и управления
2.3.5. Характеристики разработанных установок.
2.5. Модернизация установки КРИПМ для исследования высокотемпературной ползучести оксидного топлива.
2.6. Выводы.
3. Экспериментальные результаты исследований механических свойств модифицированного топлива на основе диоксида урана
3.1. Исследование механических свойств модифицированного топлива в термических условиях
3.1.1. Характеристики образцов
3.1.2. Условия испытаний
3.1.3. Результаты исследования термической ползучести модифицированного топлива
3.1.4. Результаты исследования механических свойств модифицированного топлива при деформировании с постоянной скоростью.
3.2. Исследование радиационной ползучести модифицированного топлива.
3.2.1. Характеристики образцов
3.2.2. Условия испытания образцов и методика исследования радиационной ползучести модифицированного топлива.
3.2.3. Методика определения эффективных температур при исследовании радиационной ползучести диоксида урана.
3.2.4. Результаты исследования радиационной ползучести модифицированного топлива
3.3. Исследование радиационного уплотнения и распухания модифицированного топлива.
3.3.1. Характеристика образцов и условия облучения
3.3.2. Результаты исследования радиационного уплотнения и распухания топлива.
3.4. Выводы
4. Разработка моделей и рекомендации для обобщения и прогнозирования характеристик ползучести диоксида урана
4.1. Разработка модели и расчетных рекомендаций для обобщения и прогнозирования скорости ползучести диоксида урана в термических условиях.
4.2. Разработка модели и расчетных рекомендаций для обобщения и прогнозирования скорости ползучести модифицированного диоксида урана
4.3. Разработка модели и расчетных рекомендации для обобщения и прогнозирования характеристик радиационной ползучести диоксида урана.
4.4. Разработка расчетных рекомендаций для прогнозирования характеристик радиационной
ползучести модифицированного диоксида урана
4.6. Рекомендации для расчта скорости ползучести топлива на основе диоксида урана в программах анализа работоспособности твэл
5. Заключение
6. Список литературы.
Введение


Гтемпература, размер зерна, а приложенные напряжения, Р пористость, х отклонение от стехиометрии, п константа, которая зависит от величины приложенных напряжений. В настоящее время считается установленным, что при низких напряжениях скорость ползучести диоксида урана зависит от напряжений по линейному закону. В области высоких напряжений, наблюдается степенная зависимость с показателем степени от 3 до 5 7. В работе получено при напряжениях до 0 МПа. Переходное напряжение, при котором происходит смена механизма деформации для пол и кристаллического диоксида урана рис. В большинстве расчетных кодов I , и др. А и В параметры, зависящие от температуры, состава и структуры диоксида. В ряде случаев для описания результатов пользуются обобщенной зависимостью i . При напряжениях выше МПа последнее соотношение вырождается в экспоненту. В работе ползучесть диоксида урана исследовалась на таблетках, полученных по массовой заводской технологии изготовления топлива для реакторов типа ВВЭР. Образцы имели плотность от теоретической, средний размер зерна 9 мкм, кислородный коэффициент 2,,, обогащение по делящемуся изотопу 2,4 6,5 . Без облучения испытания проводились в интервале температур С при напряжениях МПа. В работе было проведено изучение зависимости скорости ползучести от времени, температуры, напряжения и пористости топлива. Зависимость скорости ползучести от напряжения представлена на рис. Скорость ползучести увеличивается от напряжения по экспоненциальному закону, но для описания ползучести в более широком интервале изменения напряжений автором рекомендуется использовать закон гиперболического синуса. Рис. Рис. Зависимость скорости ползучести от напряжения . Стационарная скорость ползучести диоксида урана в лабораторных условиях зависит от температуры но закону Аррениуса. В области линейной зависимости скорости от напряжения значения кажущейся энергии активации меняются от 0 до 5 кДжмоль , в зависимости от кислородного потенциала, влияние которого будет рассмотрено ниже. В области степенной зависимости скорости ползучести от напряжения энергия активации выше на 0 кДжмоль. При очень высоких напряжениях, близких к пределу прочности, наблюдалось увеличение значения энергии активации до 0 кДжмоль . Как правило, энергия активации диоксида урана нестехиометрического состава повышается с увеличением температуры испытаний. ЛГ,1К. Рис. З. Зависимость скорости ползучести от температуры для диоксида уранатоплива твэлов реактора ВВЭР. Напряжения снизу вверх ,,,,, МГа . Влияние температуры на скорость стационарной ползучести штатного топлива для реактора ВВЭР показано на рис. З. Зависимость имеет термоактивационный характер. ЯТ к
где А1 час, кажущаяся энергия активации кДжмоль, а0. МПа. Существенное влияние на механические свойства оксида урана оказывает отклонение от стехиометрического состава. Во время работы реактора, топливо иОг, за счт реакции деления меняет свой начальный стехиометрический состав. Для определения механизмов контролирующих деформацию материалов необходимо знать кажущуюся энергию активации 2 В приведены результаты экспериментов по зависимости скорости ползучести топлива при отклонении от стехиометрии х. По этим данным рассчитана энергия активации для области температур от до С. Джмоль 2 эВ. В области 0 энергия активации возрастает до 2 кДжмоль 4,5 эВ. Так как скорость ползучести зависит от энергии активации по экспоненциальному закону, причем показатель экспоненты есть отрицательная величина, то с увеличением х увеличивается и скорость ползучести. В исследовалось топливо с размером зерна 7 мкм, пористостью 3. Состав топлива менялся от 2 до I. Эксперименты проводились в диапазоне температур С С при напряжениях до 0 МПа. Было показано, что при напряжениях больше МПа скорость ползучести имеет степенную зависимость от а, что характерно для случая, когда ползучесть контролируется движением дислокации. При низких напряжениях преобладают диффузионные механизмы деформирования. Т пороговое напряжение, также зависящее от х и температуры. Рис. Зависимость скорости ползучести от отклонения от стехиометрии А,Т,Х.