Калин Физическое материаловедение Том 6 Част 2 2008

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

МОСКОВСКИЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ФИЗИЧЕСКОЕ

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

В шести томах

Под общей редакцией Б. А. Калина

Том 6

Часть 2. Ядерные топливные материалы

Рекомендовано ИМЕТ РАН в качестве учебника для студентов высших учебных заведений,

обучающихся по направлению «Ядерные физика и технологии» Регистрационный номер рецензии 184

от 20 ноября 2008 года МГУП

Москва 2008

УДК 620.22(075) ББК 30.3я7 К17

ФИЗИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ: Учебник для вузов./Под общей ред. Б.А. Калина. – М.: МИФИ, 2008.

ISBN 978-5-7262-0821-3

Том 6, часть 2. Ядерные топливные материалы /Ю.Г. Годин, А.В.

Тенишев, В.В. Новиков. – М.: МИФИ, 2008. – 604 с.

Учебник «Физическое материаловедение» представляет собой 6-томное издание учебного материала по всем учебным дисциплинам базовой материаловедческой подготовки, проводимой на 5–8 семестрах обучения студентов по кафедре Физических проблем материаловедения Московского инженерно-физического института (государственного университета).

Том 6, часть 2 содержит описание ядерных топливных материалов, применяемых в ядерных реакторах и перспективных, включая металлическое урановое и плутониевое топливо, диоксидное урановое и смешанное уран-плутониевое топливо, карбидное и нитридное урановое и смешанное уран-плутониевое топливо, дисперсное ядерное топливо и дисперсное ядерное топливо на основе микротвэлов. Подробно рассмотрены струк- турно-фазовые состояния материалов, свойства и применение.

Учебник предназначен для студентов, обучающихся по специальности «Физика конденсированного состояния», и аспирантов, специализирующихся в области физики конденсированных сред и материаловедения, и может быть полезен молодым специалистам в области физики металлов, твердого тела и материаловедения.

Учебник подготовлен в рамках Инновационной образовательной программы.

ISBN 978-5-7262-0821-3

ISBN 978-5-7262-1062-9 (т. 6, ч.2)

©Московский инженерно-физический институт

(государственный университет), 2008

ОГЛАВЛЕНИЕ
Основные условные обозначения и сокращения .......................................	6
Предисловие к части 2 тома 6 .....................................................................	9
Глава 24. ЯДЕРНЫЕ ТОПЛИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
24.1. Общие сведения о ядерном топливе .............................................	12
24.1.1. Состав ядерного топлива и его классификация ....................	15
24.1.2. Выгорание и энергонапряженность ядерного топлива ........	17
24.1.3. Условия работы топливных материалов ...............................	19
24.1.4. Требования к ядерному топливу ............................................	20
24.1.5. Особенности ядерного топлива ..............................................	20
24.1.6. Тепловыделяющие элементы и тепловыделяющие
сборки .......................................................................................	22
Контрольные вопросы .........................................................................	25
24.2. Металлическое ядерное топливо ..................................................	26
24.2.1. Уран и его сплавы ...................................................................	26
24.2.2. Плутоний и его сплавы .........................................................	120
Контрольные вопросы .......................................................................	173
24.3. Оксидное ядерное топливо ..........................................................	175
24.3.1. Технология получения таблетированного оксидного
топлива ...................................................................................	177
24.3.2.Структурно-фазовое состояние диоксидов ..........................	226
24.3.3. Физико-химические свойства диоксидов ............................	234
24.3.4. Механические свойства ........................................................	265
24.3.5. Совместимость диоксида с конструкционными
материалами и теплоносителями .........................................	279
24.3.6. Структурные изменения при выгорании .............................	283
24.3.7. Перераспределение кислорода и актиноидов .....................	300
24.3.8. Состояние и поведение твердых продуктов
деления ...................................................................................	306

24.3.9.Физико-химическое взаимодействие МОХ-топлива

ипродуктов деления с оболочкой из

коррозионно-стойкой стали в твэлах быстрых
реакторов .................................................................................	319
3

24.3.10. Радиационное распухание и выделение
газообразных продуктов деления ...........................................	324
Контрольные вопросы ......................................................................	336
24.4. Карбидное ядерное топливо ........................................................	339
24.4.1. Диаграммы состояния простых и смешанных карбидов
урана и плутония ...................................................................	340
24.4.2. Свойства карбидов урана и плутония ..................................	345
24.4.3. Влияние облучения на свойства карбидного
топлива ...................................................................................	362
24.4.4. Совместимость карбидов урана и плутония
с конструкционными материалами .....................................	365
24.4.5. Радиационное распухание ....................................................	377
24.4.6. Перестройка структуры топлива в результате
облучения ...............................................................................	387
24.4.7. Выделение ГПД из карбидного топлива .............................	388
24.4.8. Поведение твердых продуктов деления
и плутония ..............................................................................	398
24.4.9. Влияние ПД на взаимодействие топлива
с оболочкой твэла ..................................................................	403
Контрольные вопросы .......................................................................	405
24.5. Нитридное ядерное топливо ........................................................	406
24.5.1. Получение нитридного ядерного топлива ...........................	407
24.5.2. Физико-химические свойства нитридов ..............................	412
24.5.3. Механические свойства нитридов .......................................	414
24.5.4. Теплофизические свойства мононитридов .........................	415
24.5.5. Диффузия компонентов в мононитриде ..............................	417
24.5.6. Совместимость мононитридого топлива
с материалами оболочек .......................................................	418
24.5.7. Влияние облучения на свойства мононитрида ...................	421
Контрольные вопросы .......................................................................	429
24.6. Дисперсное ядерное топливо .....................................................	430
24.6.1. Структура дисперсного ядерного топлива ..........................	431
24.6.2. Свойства материалов матрицы и топлива ...........................	440
24.6.3. Влияние состава и свойств исходных компонентов
на свойства ДЯТ ....................................................................	447
24.6.4. Совместимость компонентов ДЯТ .......................................	449
24.6.5. Радиационная стабильность ДЯТ ........................................	457
24.6.6. Применение ДЯТ в ядерных реакторах ...............................	460
Контрольные вопросы .......................................................................	500

4

24.7. Дисперсное ядерное топливо на основе микротвэлов ..............	503
24.7.1. Дисперсные твэлы и ТВС ВТГР .........................................	505
24.7.2. Микротвэлы и их конструктивные особенности ................	508
24.7.3. Топливные микросферы .....................................................	518
24.7.4. Строение и свойства покрытий ..........................................	523
24.7.5. Выход продуктов деления из топлива ВТГР.......................	546
24.7.6. Миграция топливных микросфер в микротвэлах................	573
24.7.7. Коррозия покрытий микротвэлов .......................................	582
24.7.8. Напряженно-деформированное состояние
микротвэлов ........................................................................	588
Контрольные вопросы ....................................................................	593
Список литературы ..............................................................................	595
Предметный указатель .........................................................................	596

5

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

α– коэффициент поглощения

α– КЛТР

cos2α – ориентационный фактор

δ– пластичность, относительное удлинение, ширина зазора

ε& – скорость ползучести ε0 – максимальная скорость ползу-

чести η – феноменологический параметр

Λ – интегральная теплопроводность

λ– коэффициент теплопроводности, постоянная распада, длина

пробега λе – электронная составляющая

теплопроводности; λр – составляющая теплопроводно-

сти обусловленная излучением λф – фононная составляющая теплопроводности

λf – длина пробега продукта деления в частице

λm – длина пробега осколка деления в матрице;

λm – теплопроводность материала теоретической плотности ν – коэффициент Пуассона; ρ – плотность

ρ0 – исходная (начальная) плотность

ρm – теоретическая плотность ψ – относительное сужение Ω – атомный объем

σ– электропроводность, прочность, напряжение, проводимость, сечение

σ0 – модуль ползучести σс – напряжение ползучести

σ1 – электронная проводимость σ2 – дырочная проводимость

σf, σдел – сечение деления σзахв – сечение захвата σв – предел прочности

σ0,01, σ0,2 – предел текучести A – атомная масса, константа

а– температуропроводность, параметр решетки

B– константа, выгорание, скорость образования изотопа ПД

b – выгорание

СV – удельная теплоемкость при постоянном объеме Ср – удельная теплоемкость при постоянном давлении с – параметра решетки

D – диаметр, коэффициент диффузии

d – диаметр зерна, диаметр поры, расстояние Е – модуль упругости, энергия

E0 – энергия активации

Eш – энергия образования дефектов Шотки Еф – энергии образования пары

анионных дефектов Френкеля Ес – энергия активации ползучести Ест – энергия образования ступени

EU* – энергия активации движения

иона урана

e – заряд электрона

6

F– выход продуктов деления, равновесная утечка ПД, фактор

формы пор F() – функция

F(t) – относительная утечка ПД F& – скорость деления

f, f ′ – относительная утечка ПД из

МТ

G – модуль сдвига

Gi – безразмерный коэффициент радиационного роста

Gt – безразмерный коэффициент термического роста

GO2 – кислородный потенциал

GПДO – энергия образования оксида продукта деления

HO2 – энтальпия растворения

кислорода

K – коэффициент миграции МС Kа – коэффициент анизотропии (коэффициент Бэкона BAF)

k– постоянная Стефана–Больцмана

kp – коэффициент, зависящий от относительного объема, размера и распределения пор

l– доля топлива, длина свободного пробега фононов, длина образца

М(t) – количество нуклида в момент времени t

m – масса

m/m – выгорание, выраженное через количество разделившихся атомов

N – число циклов

n– показатель степени, коэффициент преломления

P(f) – суммарная доля осколков

деления, вышедших из области непосредственно под поверхностью частицы Р(а) – доля вылетевших из топлив-

ной частицы продуктов деления

р– пористость, давление, вероятность

pO2 – равновесное парциальное

давление кислорода

Q – мощность, энергия активации Q* – теплота переноса углерода qV – тепловой поток, линейная мощность твэла

R– универсальная газовая постоянная, тепловое сопротивление материала, скорость утечки изо-

топа ПД

r – средний атомный радиус SO2 – энтропия растворения

кислорода

S – скорость распухания, площадь Т – температура

t – время

V – объем, валентность, скорость Vf – объемная доля топливной фазы Vm – объемная доля матрицы, которая не повреждается продуктами деления

VPu – валентность плутония VU – валентность урана

VПД – объем продуктов деления v – средняя скорость фонона

vвыдел – скорость выделения ГПД vобр – скорость образования ГПД

Y – выход данного изотопа на деление

yi – атомная доля точечных дефектов Ф – поток нейтронов

7

Φ(ε) – поток нейтронов сэнергиейε Гi – сечение рассеяния фононов точечными дефектами i-ого типа

BISO – см. ПИУ

MATPRO – Material Properties

РуС – пироуглеродный слой

TRISO – см. ПИУК АЗ – активная зона

АЭС – атомная электростанция ВЗП – внутризеренные пузырьки ВПН – выгорающий поглотитель нейтронов ВТГР – высокотемпературный

газографитовый реактор ВТИ – высокотемпературный изотропный пироуглерод ГГР – газографитовые реакторы ГПД – газообразные продукты деления

ИПД – имитаторы продуктов деления К(Л)ТР – коэффициент (линейного)

термического расширения КВ – коэффициент воспроизводства КОНПОР – порообразователь

МЗП – межзеренные пузырьки; МКК – межкристаллитная коррозия МОХ-топливо – смешанное уранплутониевое оксидное топливо

(Mixed OXides)

МС – топливные микросферы МТ – микротвэл МЯТ – модельное ядерное топливо

НДС – напряженно-деформиро- ванное состояние НТИ – низкотемпературный изотропный пироуглерод

ОКСК – относительное количество сажеподобного компонента ПД – продукты деления ПИУ – пироуглеродное покрытие

ПИУК – пироуглеродокарбидное покрытие РЗМ – редкоземельные металлы

сна – смещений на атом ТВС – тепловыделяющие сборки ТП – теоретическая плотность

ЦТО – циклическая термическая обработка ЯЭУ – ядерная энергетическая установка

8

Предисловие к части 2 тома 6

Часть 2 тома 6 содержит описание ядерных топливных материалов, применяемых в различных ядерных реакторах и перспективных видов топлива, включая металлическое урановое и плутониевое топливо, диоксидное урановое и смешанное уран-плутониевое топливо, карбидное и нитридное урановое и смешанное уран-плутониевое топливо, дисперсное ядерное топливо и дисперсное ядерное топливо на основе микротвэлов. Подробно рассмотрены структурно-фазовые состояния материалов, свойства и применение.

Весь материал изложен в главе 24 по разделам.

Вразд. 24.1 (авт.: профессор Ю.Г. Годин и доцент А.В. Тенишев) рассмотрены состав ядерного топлива и его классификация, представление и оценки выгорания и энергонапряженности ядерного топлива, условия работы топливных материалов в ядерных реакторах и требования, предъявляемые к ядерному топливу, тепловыделяющие элементы (твэлы) и тепловыделяющие сборки (ТВС).

Вразд. 24.2. (авт.: профессор Ю.Г. Годин и доцент А.В. Тенишев) рассмотрены уран и плутоний, их сплавы, получение металлов и сплавов, макро- и микроструктура, физические и механические свойства сплавов, поведение урана и плутония при циклических изменениях температуры, их термическая обработка, коррозия урана и плутония в различных средах

ив теплоносителях, совместимость урана и его сплавов с конструкционными материалами оболочек твэлов, влияние облучения на уран, плутоний и их сплавы, кинетика фазовых превращений в уране и плутонии, перспективные сплавы урана и плутония, самооблучение плутония и его сплавов.

Вразд. 24.3. (авт.: профессор Ю.Г. Годин, профессор В.В. Новиков и доцент А.В. Тенишев) описано оксидное ядерное топливо, технология получения таблетированного оксидного топлива, включая получение по-

рошков UO2 ,PuO2 и (U,Pu)О2 и таблеток, получение и использование гранулированного топлива. Рассмотрены физико-химические свойства оксидов, включая диаграммы состояния систем уран–кислород, плутоний– кислород и уран–плутоний–кислород, кислородный потенциал и испарение оксидного топлива. Описаны теплофизические и механические свойства, включая радиационную ползучесть. Рассмотрены совместимость

9

оксидов с конструкционными материалами и теплоносителями, структурные изменения при выгорании и радиационное доспекание оксидов, диффузия и перераспределение кислорода и актиноидов, состояние и поведение твердых продуктов деления, радиационное распухание и выделение газообразных продуктов деления.

Вразд. 24.4 (авт.: профессор Ю.Г. Годин и доцент А.В. Тенишев) описано карбидное ядерное топливо, диаграммы состояния простых и смешанных карбидов урана и плутония с углеродом и тройная ДСС уран– плутоний–углерод, свойства карбидов урана и плутония, включая механические, теплофизические и диффузию компонентов. Рассмотрена совместимость карбидов урана и плутония с конструкционными материалами и оболочками твэлов, влияние облучения на свойства карбидного топлива, в том числе радиационная ползучесть и распухание, влияние облучения на диффузионные процессы, выделение газообразных продуктов деления из карбидного топлива, поведение твердых продуктов деления и плутония.

Вразд. 24.5 (авт.: профессор Ю.Г. Годин, профессор В.В. Новиков и доцент А.В. Тенишев) описано нитридное ядерное топливо, технология его получения, физико-химические свойства, включая диаграммы состояния систем уран-плутоний-азот, теплофизические свойства, диффузия урана, плутония и азота в нитриде урана, совместимость мононитридого топлива с материалами оболочек твэлов, влияние облучения на свойства, радиационная ползучесть и распухание, выход газообразных продуктов деления из топлива.

Вразд. 24.6 (авт.: профессор Ю.Г. Годин и доцент А.В. Тенишев) рассмотрено дисперсное ядерное топливо (ДЯТ), дана его характеристика, структура, материалы ядерного топлива кернов и матрицы из алюминия, магния, коррозионно-стойкой стали, никеля, тугоплавких металлов (вольфрам, молибден) и оксидной керамики. Описаны связи свойств ДЯТ со структурой и составом, совместимость компонентов ДЯТ, радиационная стойкость некоторых дисперсных композиций, влияние температуры, выгорания и некоторых других факторов на радиационную стабильность ДЯТ.

Вразд. 24.7 (авт.: профессор Ю.Г. Годин и доцент А.В. Тенишев) большое внимание уделено дисперсному ядерному топливу на основе микротвэлов, дано описание конструктивных особенностей микротвэлов, твэлов и ТВС высокотемпературных реакторов; подробно рассмотрены топливные керны микротвэлов, типы покрытий и функциональное назначение входящих в них слоев, выход осколочных элементов при делении ядер урана и их свойства, химическое состояние продуктов деления в топливных микросферах, утечка и выход газообразных и легколетучих продуктов деления из микротвэлов, миграция топливных кернов в микротвэ-

10