Ядерное топливо т

счет миграции пор. Непосредственно вблизи нее располагается область с большими столбчатыми зернами. Их границы очерчены тонкими радиальными линиями, заканчивающимися у полости. Это следы миграции пор, присутствовавших в исходном топливе, или образующихся в нем газовых пузырьков, содержащих газообразные продукты деления. Зародышами пузырьков являются комплексы, содержащие два атома Xe или Kr и одну вакансию. Давление в газовых пузырьках может достигать десятков ГПа.

Вблизи центральной полости располагаются большие стабильные поры, возникающие в результате миграции исходных пор и газовых пузырьков. В случае если исходные таблетки топлива имеют центральное отверстие, миграция пор будет приводить к увеличению его диаметра.

За областью столбчатых зерен располагается зона больших равноосных зерен, возникших в результате роста мелких исходных зерен. Она содержит поры, движущиеся к границам зерен. Снаружи от зоны равноосных зерен, примыкая к оболочке, располагается кольцевая зона топлива с исходной микроструктурой. Температуры в этой зоне слишком низкие, чтобы вызвать какую-либо заметную перестройку структуры топлива. Она является хрупкой и содержит осевые и радиальные трещины.

Оценочные температуры, выше которых образуются зоны столбчатых и равновесных кристаллов, лежат по различным данным в интервалах 2000–2150 К и 1600–1925 К соответственно. Поэтому материал, находящийся в этих зонах, является пластичным, а материал в зоне исходной структуры – хрупким. Обратим внимание на то, что такие условия работы характерны для твэлов реакторов на быстрых нейтронах, а в твэлах реакторов на тепловых нейтронах линейная мощность не превышает 250 Вт/см и температура центра ниже 1473 К. Таким образом в реакторах на тепловых нейтронах полной перестройки структуры не наблюдается и процесс ограничивается растрескиванием и фрагментацией топливных таблеток. Однако, в твэлах реакторов на тепловых нейтронах при больших выгораниях (> 40 ГВт · сут./т U) на периферии топливных таблеток происходит образование структуры высокого выгорания или так называемой rim-зоны, о чем более подробно будет сказано ниже (п. 31.6.2).

281

Формирование структуры, показанной на рис. 31.56 (сектор III), при тепловых нагрузках, существующих в современных энергетических реакторах на быстрых нейтронах, происходит в течение десятков часов. Однако при высоких тепловых нагрузках она может образоваться и в течение нескольких часов или даже минут. Соотношение между размерами зон зависит от величины температурного градиента, определяемого линейной мощностью твэла, и обычно изменяется в процессе выгорания топлива вследствие изменения теплопроводности отдельных зон.

Столбчатые кристаллы образуются под воздействием больших температурных градиентов. Поэтому при остановке реактора, когда температурный градиент исчезает, в этой зоне возникают большие термические напряжения, приводящие к растрескиванию таблеток (сектор IV на рис. 31.56).

После повторного выхода реактора на номинальную мощность при сравнительно низком выгорании топлива (~0,1 ГВт · сут./т U) происходит переформирование зоны столбчатых кристаллов, дальнейшее выбирание зазора сердечник-оболочка и образование новой сетки трещин в зоне исходной структуры (сектор V на рис. 31.56). Теплопроводность зазора уменьшается вследствие выделения под оболочку твэла осколочных газов Xe и Kr, которые разбавляют гелий.

Дальнейшее выгорание до ~1 ГВт · сут./т U приводит к полному зарастанию зазора сердечник-оболочка за счет смещения топлива к оболочке в результате циклически повторяющегося растрескивания или газового распухания при промежуточных температурах 1600– 1800 К (сектор VI на рис. 31.56). Происходит нагружение оболочки вследствие ее механического взаимодействия с топливом при теплосменах. Трещины начинают сужаться в результате механического воздействия оболочки на топливо. Зона столбчатых кристаллов возрастает, а также увеличивается диаметр центральной полости. В зоне равноосных крупных зерен образуются оксидные включения, а в зоне столбчатых кристаллов – металлические включения продуктов деления. Теплопроводность топлива слегка снижается в результате радиационных повреждений.

При выгорании ~10 ГВт · сут./т в более горячих частях сердечника возникают устойчивые пузырьки газообразных продуктов деления (сектор VII на рис. 31.56). Происходит залечивание трещин,

282

а также увеличивается количество оксидных и металлических включений, образованных продуктами деления и компонентами оболочки топлива. Наблюдается дальнейшее уменьшение теплопроводности. В оболочке появляются заполненные газом поры, вызывающие ее распухание.

Повышение выгорания до ~100 ГВт · сут./т снижает номинальное тепловыделение в результате выгорания делящихся изотопов. Большие поры и трещины замещаются мелкими (~1 мкм) газовыми пузырьками и включениями (сектор VIII на рис. 31.56). Оксиды продуктов деления продолжают концентрироваться в равноосных зернах, а включения металлических фаз – по границам столбчатых зерен и в центральной полости. Накопление примесей и облучение оказывают наибольшее влияние на теплопроводность и температуру плавления, вызывая их заметное снижение. Происходит дальнейшее распухание оболочки.

По окончании кампании топлива и после охлаждения твэла в его сердечнике образуются новые трещины (сектор IX на рис. 31.56).

Типичные микроструктуры облученного МОХ-топлива показаны на рис. 31.57,

где видно влияние

линейной мощности Рис. 31.57. Структурные зоны в МОХ-топливе при линейной мощности твэла:

твэла на размеры а – 500 Вт/см; б – 600 Вт/см

структурных зон.

283

31.6.2. Образование структуры высокого выгорания в топливе реакторов на тепловых нейтронах

Структурой высокого выгорания (HBS – high burnup structure), или также, rim-структурой, rim-зоной (игра слов: 1) rim – акроним от radiation-induced microstructure; 2) rim – обод, край), называется периферийная область топливной таблетки с аномальной структурой, резко отличной от структуры топлива до загрузки (рис. 31.58).

Рис. 31.58. Керамография травленного образца диоксида урана (выгорание 81 ГВт · сут./т U).

Возникновение rim-структуры наблюдается преимущественно в топливе реакторов на тепловых или промежуточных нейтронах изза особенностей нейтронного спектра этих реакторов. В тонкой периферийной области таблетки нейтроны имеют энергию, необходимую для инициирования резонансного захвата нейтронов изотопом 238U. Образующийся 239U обладает коротким временем жизни и подвержен бета-распаду. Происходит накопление 239Pu (рис. 31.59), что увеличивает число делений в 2−3 раза по сравнению со средним значением по таблетке.

Из-за большего числа делений в периферийной области образуется значительное количество продуктов деления, в том числе ГПД. Тем не менее, именно из-за того, что локальное выгорание повышено, наблюдается значительное выделение ГПД (рис. 31.60).

Так как температура rim-зоны невысока (не выше ~500 °С), то действует механизм атермической радиационно-индуцированной диффузии, приводящий к возникновению перенапряженных газовых пор, размер которых достигает ~15 мкм. Однако, большая часть газа в rim-зоне содержится внутри мелких газовых пузырьков, образующихся в процессе миграции атомов ГПД внедренных в кристаллическую решетку.

284

Рис. 31.59. Профиль концентрации плутония в таблетке UO2

при выгорании 81 ГВт · сут./т U.

Рис. 31.60. Профиль концентрации продуктов деления. Выгорание 81 ГВт ·сут./т U

285

Исследование топлива различного обогащения показывает, что в топливе с большим обогащением развитие пористости замедлено, что связано с меньшей наработкой 239Pu. Наибольшая пористость в топливе с выгоранием ~105 ГВт · сут./т U наблюдается в области шириной 50 мкм, удаленной от края таблетки на 30 мкм

(рис. 31.61). Показана однозначная связь пористости с содержанием 239Pu.

Рис. 31.61. Rim-пористость, содержание плутония и продуктов деления по сечению таблетки

286

Вреакторах на быстрых нейтронах изотоп 239Pu равномерно распределен по радиусу таблетки. Тем не менее, вблизи края таблетки образуется структура с измельченным зерном (~ 0,5–3 мкм) и очень высокой пористостью (до 35 %). С чем это связано, пока не ясно. Аномальная структура также наблюдалась в центре таблетки.

Данные, полученные при исследовании топлива с выгоранием 60 ГВт · сут./т U, свидетельствуют о том, что суммарный выход ГПД из rim-зоны составляет не более 5 %. Так как большая часть ГПД остается в порах, то следует ожидать значительного распухания топлива при глубоком выгорании, связанного с наличием rimзоны. Эксперименты на облученном топливе (как для диоксида урана, так и для сплавов U-Mo) показывают, что ускорение распухания наблюдается при выгораниях больше 50–60 ГВт · сут./т U. Наибольший вклад в распухание топлива дают газонаполненные поры (размером ~10–15 мкм).

На данный момент не существует единого мнения о том, как следует рассматривать изменения в зеренной структуре rim-зоны. В некоторых работах эти изменения относят к рекристаллизации, в других – к полигонизации, а также иногда говорят о ячеистой структуре.

Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что, по крайней мере, на первом этапе значительной разориентации структурных элементов не наблюдается (рис. 31.62): сохраняются крупные зерна с внутризеренными пузырьками. Существует ряд работ,

вкоторых убедительно показано, что в теле зерна наблюдается образование субзерен с малоугловыми границами. Некоторые исследователи выражают недовольство по поводу некорректного использования термина «рекристаллизация» для описания структурных перестроек в облученном топливе, так как более корректно, все же, говорить лишь о полигонизации. Вероятно, средний размер субзерен не зависит от параметров облучения: по данным различных работ он составляет ~0,15–0,3 мкм (рис. 31.63). Это может означать, что субзерна формируются при определенном пороговом значении выгорания и в дальнейшем не меняются.

Внастоящее время существуют два противоположных подхода к описанию формирования rim-зоны.

Впервом случае ведущая роль присваивается радиационным повреждениям.

287

Рис. 31.62. РЭМ-снимок с усиленным контрастом диоксида урана в оболочке Zr-4 при выгорании 45 ГВт · сут./т U

Рис. 31.63. Распределение rim-зерен по размерам.

Известно, что на фазе охлаждения каскада смещений наблюдается образование дислокационных петель. После достижения достаточной плотности дислокаций происходят структурные изменения в зеренной структуре.

288

Образующиеся субзерна служат зародышами рекристаллизации. В процессе рекристаллизации тело зерна очищается от пор. В итоге, крупные поры образуются на стыках зерен. Хотя в некоторых экспериментах действительно наблюдается преимущественное скопление пор на границах зерен, новейшие данные показывают, что образование rim-пузырьков возможно вдали от субзеренных границ; кроме того, нет доводов в пользу образования высокоугловых границ.

Можно предположить, что основным процессом в формировании rim-структуры является взаимодействие дислокаций с большой плотностью вакансий посредством так называемой реактивной диффузии. Создаваемые таким образом стоки могут привести к перестройке структуры. В случае, если равномерное распределение плотности дислокаций незначительно нарушается в начальный момент времени, то система из взаимодействующих дислокаций и дефектов неустойчива в смысле Тьюринга. Эта неустойчивость может привести к образованию ячеистой структуры.

В другом подходе возникновение пористости предшествует структурным изменениям зеренной структуры, причем структурная перестройка зерен происходит по границам пор (рис. 31.64). Предполагается, что поры притягивают дислокации, поэтому вблизи их поверхности в момент образования rim-зоны наблюдается чрезвычайно повышенная плотность дислокаций. Таким образом, существует пороговое значение среднего расстояния между порами, при котором происходит полная рекристаллизация.

Инициирование дислокационных процессов в rim-зоне может быть вызвано упомянутыми выше полями напряжений от системы газонаполненных пор.

Фактически, говорить о хрупкости диоксида урана при облучении не совсем корректно, поскольку из-за радиационностимулированной диффузии появляется диффузионная пластичность, выражающаяся в обмене точечными дефектами между дислокациями. Кроме скольжения дислокаций возможно и их диффузионное переползание. В случае облучения радиационностимулированная диффузия должна значительно ускорять этот процесс. Эти соображения могут объяснить, почему в образцах МЯТ, облученных тяжелыми ионами, возникает реструктуризация при отсутствии внешнего поля напряжений от газовых пузырьков.

289

Рис. 31.64. Схема образования rim-зерен

В настоящее время считается, что дислокационные петли в ди-

оксиде урана рождаются на начальной стадии облучения в виде небольших кластеров междоузельных атомов, увеличивая со временем свой радиус и вовлекая все больше и больше атомов. Если кластеры междоузельных атомов встречаются с вакансиями, то происходит взаимная аннигиляция и петля рассасывается. Таким образом, условие возникновения новых петель:

	D c − D	v	(c	v	− c(eq)) > 0 ,	(31.56)
	i i				v
где Di , Dv	− коэффициенты диффузии междоузельных атомов и
вакансий; ci	и cv − концентрации вакансий и междоузельных
атомов; cv(eq)	− концентрация тепловых вакансий.

Вследствие нарушения баланса между рекомбинацией и накоплением, концентрация вакансий в материале оказывается больше, чем концентрация междоузельных атомов. Это приводит к образованию вакансионных пор, которые затем заполняются атомами ГПД.

Согласно экспериментальным данным, наиболее крупные поры наблюдаются в области r > 0, 9R , где R − радиус таблетки, что обуславливает большую пористость в этой области.

290