Pagina 4 din 39
Type reactor nuclear și parametrii de funcționare, cum ar fi distribuția energiei neutronilor și intensitatea câmpului de neutroni în volumul de bază, temperatura, viteza și compoziția lichidului de răcire determină în mare măsură domeniul științei materialelor și a altor probleme care apar în proiectarea și fabricarea de tehnologie de proiectare tija de combustibil.
În tabel. 1.1 prezintă domeniul temperaturii de funcționare a materialelor de diferite tipuri de reactoare. Se poate observa că, în funcție de scopul reactorului și lichidului de răcire utilizat, temperaturile operaționale ale combustibilului nuclear și ale materialelor structurale se modifică drastic.
Tabelul 1.1. Gama de temperatură a materialelor pentru diferite tipuri de reactoare
Benzina funcționează în condiții foarte dificile. Este alimentat de fluxuri puternice de neutroni rapizi și termici, caracterizați prin neuniformități; Atunci când se transferă fluxuri mari de căldură în cochilie, apar solicitări termice semnificative; apa cu parametrii mari are un efect corosiv și eroziv asupra cochiliei, efect coroziv chiar și al apei în stare de fierbere. pe pereții barelor de combustibil se precipită sedimente care măresc temperatura și accelerează coroziunea; în metale și aliaje lichide se observă un fenomen nedorit - transferul de masă (precipitarea metalelor și a compușilor lor în regiunile reci); suporturi de căldură organice, polimerizante, formează sedimente pe carcase de carburant; când elementul combustibil se umflă, în cochilie apar solicitări tangențiale suplimentare; toate acestea au un efect negativ asupra funcționării tijei de combustibil în timpul funcționării pe termen lung.
Eficiența elementului combustibil din reactor este determinată de trei factori: designul, calitatea producției și modul de funcționare a miezului.
De obicei, dezvoltarea de elemente de combustibil începe după calculul preliminar al reactorului, când se determină încărcarea combustibilului. Caracteristicile principale ale întregii varietăți de forme de combustibil, ansambluri de combustibil și numărul lor sunt volumul activ ocupat de combustibil și de suprafața elementului combustibil, care asigură o posibilă încărcare a reactorului cu combustibil nuclear și îndepărtarea căldurii. Raportul dintre aceste cantități, aparent, este cel mai precis criteriu pentru compararea diferitelor tipuri de elemente combustibile și ansambluri de combustibil. Această legătură cu bare de combustibil și de asamblare a combustibilului trebuie să fie optimă, deoarece dorința de a dezvolta o suprafață de îndepărtare a căldurii în mod inevitabil conduce la o reducere a volumului activ al elementului combustibil, pentru a crește îmbogățirea combustibilului și creșterea în greutate materiale structurale și combustibil în AZ; dimpotrivă, dorința de a crește volumul activ conduce la o reducere a suprafeței de îndepărtare a căldurii, la o creștere semnificativă a temperaturii maxime a elementului combustibil și la o reducere a fiabilității tijelor de combustibil la o anumită putere.
În procesul de proiectare, luând în stadiul cunoscut al tehnicii cont de experiența de funcționare, acesta poate fi estimat pentru a determina aproape de condițiile reale ale temperaturii de lucru a combustibilului, termice și alte presiuni în ele de rezerve de rezistență ale materialelor de construcție, caracteristicile termice și hidraulice ale ansamblului de combustibil și posibila magnitudinea maximă de îndepărtare a căldurii. Datele rezultate sunt folosite pentru a efectua un calcul fizic detaliat, experimentul fizic inspectat, selecția finală a tipului de combustibil, pentru a clarifica proiectarea și tehnologia de fabricație.
Cea mai mare dificultate în proiectarea ansamblului de combustibil este un spațiu combustibil tijă în acesta, în care ansamblul de combustibil în același timp, satisface mecanice (rezistența structurală), hidrodinamic (rezistență scăzută și răcirea uniformă a barelor de combustibil), precum și alte cerințe de inginerie termică. Acesta ar trebui să permită libera circulație a barelor de combustibil în ansamblurilor de combustibil în expansiunea lor termică și pentru a preveni acțiunea mecanică asupra barelor de combustibil de pe partea de carcasă și elemente de fixare FA.
Având în vedere cerințele pentru elementele de combustibil, trebuie să specificați imediat două dintre ele, care rezultă din sarcina de a crea un anumit AZ: în primul rând, în elementul combustibil trebuie să fie conținut mai mult combustibil este necesar pentru întreaga campanie de decontare, și în al doilea rând, barele de combustibil trebuie să fie executați în siguranță, toate campaniei
și să reziste la arderea calculată a combustibilului fără a rupe cochiliul. Într-un câmp neutronic în timpul funcționării pe termen lung este posibilă o schimbare semnificativă a proprietăților fizico-chimice ale materialelor; În acest sens, sunt necesare studii subțiri ale materialelor iradiate pentru compatibilitate, deoarece acestea determină, în esență, temperatura de operare limită și metodele de fabricare. Pe lângă faptul că materialele structurale trebuie să aibă o secțiune transversală minimă a capturilor de neutroni, ele trebuie să fie corozive și rezistente la eroziune; produsele de coroziune ar trebui evaluate pe baza activității lor nucleare și a siguranței atunci când funcționează reactorul, de exemplu, prezența cobaltului și a altor elemente foarte active cu un timp de înjumătățire lung este nedorită. Designul și materialele selectate trebuie să fie puternic mecanice pentru a menține forma, mărimea și etanșeitatea pe toată durata de viață a tijei de combustibil. Pe lângă economie, tehnologia de fabricație trebuie să asigure o calitate ridicată a elementelor de combustibil (dimensiune și formă necesare, distribuție uniformă a combustibilului, etanșare bună) și un control fiabil al instrumentului. De asemenea, ar trebui să se țină cont de regenerarea elementelor combustibile uzate în scopul returnării combustibilului nuclear, astfel încât materialele pentru carburant trebuie să corespundă condițiilor tehnologice ale proceselor de procesare.
Tabelul 1.2. Compuși chimici care pot fi considerați combustibili nucleari
* Temperatura înmuiere. ** Temperatura de reacție peritectică. Temperatura de decadere. la
-
Crearea de zone fiabile și eficiente, cu densități mari de eliberare a energiei la niveluri ridicate de temperatură și utilizarea eficientă a combustibilului nuclear, sunt dificile. Pe de o parte, materialul combustibil trebuie să aibă cea mai mare concentrație posibilă de fisionabil nuclid per unitate de volum, Celalalt (Tabelul 1.2.) - miezul de combustibil trebuie să mențină stabilitatea dimensională și compoziția chimică sub iradiere, iar temperatura maximă de funcționare trebuie să fie mult sub temperatura de topire și de transformare de fază , dacă există. Având în vedere aceste cerințe, devine imposibil să se utilizeze plutoniu metalic pur, ca să nu mai vorbim de toxicitatea acestuia și de activitatea chimică ridicată. Prevenirea diferențelor mari de temperatură în secțiunea tijei de combustibil se realizează utilizând materiale cu o bună conductivitate termică; Cu toate acestea, îndeplinirea altor cerințe conduce la utilizarea unui material cu o conductivitate termică mai scăzută; așa că, dacă la începutul reactorului utilizat uraniu metalic sau aliaje ale acestora, în ultimul deceniu, în toate tipurile de reactoare sunt utilizate pe scară largă de dioxid de uraniu sinterizat, deși conductivitatea termică este de 5-8 ori mai mică (Figura 1.13.); dioxid de uraniu sinterizat diferă inerției la apă, cu parametrii ridicați și rezistență la gaze (CO2, N2, etc.), este compatibil cu multe matrici de metal, are un punct de topire ridicat grătare izomorfism UO2, PuO2 și ThO2 permite combinarea într-o tijă de combustibil reactoarele rapide materialelor fisionabile și fertile .
Fig. 1.13. Dependența de temperatură a coeficientului de conductivitate termică (în fracții de volum):
Recent, sa acordat mai multă atenție combustibilului pe bază de carburi și nitruri; Astfel, UC conține uraniu pe unitatea de volum cu 30% mai mult decât UO2, iar conductivitatea sa termică este cu un ordin de mărime mai mare. Ureia de uraniu (UN) are o capacitate și mai mare de uraniu, conductivitatea termică crește cu temperatura și ajunge la 21-26 W / (m-K) la 800-1000 ° C; uronica mononitrida reactioneaza slab cu apa, este nepiroforica, poate fi depozitata si procesata chiar si in aer umed, cele din urma proprietati disting-o favorabil de carbidul de uraniu.
Izomorfism filee UO, UC, ONU, pUC calambur și dă speranțe pentru prepararea unor compuși complecși stabili precum carbonitruri și oxycarbonitrides de uraniu și de plutoniu pentru a fi utilizat drept combustibil nuclear.
Rezistența chimică în ceea ce privește aerul, vaporii de apă, materiale de coajă, matrice și agentul de răcire este una dintre cerințele majore pentru materialul combustibil, deoarece absența interacțiuni semnificative determină cele mai eficienta de combustibil si energie alte reactoare.
Fig. 1.14. Dependența de temperatură a energiei Gibbs a anumitor reacții:
Rezistența chimică și compatibilitatea carburantului cu alte materiale, de exemplu o carcasă, determinată de modificarea energiei Gibbs a întregului sistem, inclusiv posibilele produse de reacție. Datele privind unele astfel de reacții de interes din punct de vedere al aplicabilității materialelor în cauză sunt prezentate în Fig. 1.14. Compoziții combustibile Uneori poate fi utilizat nu sunt stabile termodinamic, de exemplu UO2 - Mg sau UO2 - A1, dar stabilitatea unor astfel de compoziții în condiții din reactor necesită verificare experimentală special atentă, deoarece iradierea poate accelera procesele de difuzie de interacțiune.
Dacă elementele combustibilului nu sunt sigilate corespunzător, întrebările legate de interacțiunea combustibilului cu agentul de răcire, care poate fi apă, metale lichide, gaze sau compuși organici, devin urgente.
Trimiteți-le prietenilor: