2
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И СПЕЦИАЛЬНЫХ ТЕРМИНОВ IMF - топливо с инертной матрицей
GNEP - глобальное партнерство в области использования ядерной энергии (Global Nuclear Energy Partnersship)
MC и MN - карбид и нитрид металла АЗ - активная зона
ГИАЭ - глобальная инфраструктура атомной энергетики ГПД - газовые продукты деления КВ - коэффициент воспроизводства МА - младшие актиниды (minor actinides)
ОЯТ - отработавшее ядерное топливо
РСМА - рентгеноспектральный микроанализ
СЭМ - сканирующая электронная микроскопия
Твэл - тепловыделяющий элемент
т.а. - тяжелые атомы
ТП - теоретическая плотность
ТПД - твёрдые продукты деления
Ц.а.з. центр активной зоны (половина высоты топливного столба)
з
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.........................................................6
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.......................................................12
1.1. Актуальность и состояние вопроса по трансмутации минор-актинидов.12
1.2. Основные требования к облучаемым композициям в инертных
матрицах........................................................15
1.3 Особенности проявления разных видов распухания.................16
1.4. Модельные представления для расчета общего распухания топлива.20
1.5. Результаты наиболее схожих облучательных экспериментов........22
Основные выводы главы 1 и постановка задачи исследований...........23
ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ТОПЛИВА, ТВЭЛОВ, УСЛОВИЙ
ОБЛУЧЕНИЯ И МЕТОДОВ ПОСЛЕРЕАКТОРНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ....................................................25
2.1. Исходные характеристики топливной композиции Ри02-М§0.........25
2.2. Исходные характеристики топливной композиции (Ри, Zr)N........28
2.3. Конструкция экспериментальных твэлов реактора БОР-60..........30
2.4. Условия облучения экспериментальных твэлов....................31
2.5. Метод определения содержания и состава газовой фазы под оболочкой твэла..............................................................34
2.6. Метод определения содержания газовых продуктов деления в топливе............................................................35
2.7. Метод определения плотности топливных композиций..............36
2.8. Методы исследования микроструктуры топлива....................37
2.9. Метод исследования фазового состояния топливных композиций....38
2.10. Метод исследования локального элементного состава топлива....39
2.11. Гамма-сканирование твэлов....................................41
ГЛАВА 3. ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРНО-ФАЗОВОГО СОСТОЯНИЯ ТОПЛИВНОЙ КОМПОЗИЦИИ 40% Ри02 + 60% MgO ПОСЛЕ ОБЛУЧЕНИЯ В РЕАКТОРЕ БОР-60..................................................44
4
3.1 Содержание и состав газовой фазы под оболочкой твэлов и в топливном сердечнике..........................................................44
3.2. Исследование микроструктуры топливной композиции 40% Р11О2 + 60% М§0 методами металлографии и фрактографии...........................45
3.3. Результаты исследований элементного состава топливной композиции 40% Ри02 + 60% М§0..................................................49
3.4. Результаты рентгеноструктурного анализа топливной композиции 40% Ри02 + 60% Г^О......................................................57
3.5. Результаты измерений наружного диаметра оболочек твэлов и диаметра топливных таблеток..................................................59
3.6. Определение плотности топлива..................................60
3.7. Уменьшение технологической пористости топливной композиции МДО +
Ри02 в процессе облучения...........................................62
Выводы к главе 3....................................................69
ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ПРОДУКТОВ ДЕЛЕНИЯ НА РАСПУХАНИЕ ТОПЛИВНОЙ КОМПОЗИЦИИ 40% Ри02 + 60% М§0.............................70
4.1. Модель твердого распухания топливной композиции М§0 + Ри02 70
4.2. Оценка доли осколков деления в М§0 на основе карт РСМА.........70
4.3. Определение доли осколков деления в MgO по измеренному значению их концентрации в частице Ри02......................................73
4.4. Расчёт увеличения объема фазы М%0..............................75
4.5. Уменьшение объема частиц Ри02 за счет выхода продуктов деления в
инертную матрицу....................................................77
4.6 Сравнение расчётного и экспериментально определённого распухания.78
Выводы к главе 4....................................................79
ГЛАВА 5. ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ МИКРОСТРУКТУРЫ И ФАЗОВОГО СОСТАВА ТОПЛИВНОЙ КОМПОЗИЦИИ (Ри, гф ПОСЛЕ ОБЛУЧЕНИЯ В РЕАКТОРЕ БОР-60.........................................80
5.1 Определение содержания и состава газовой фазы под оболочкой твэлов и в топливе...........................................................80
5
5.2. Исследование микроструктуры топливной композиции (Ри, 2г)Ы методами металлографии и сканирующей электронной микроскопии.....81
5.3. Результаты исследований элементного состава топливной композиции (Ри, 2г)Ы........................................................85
5.4. Результаты рентгеноструктурного анализа.....................91
Выводы к главе 5.................................................92
ГЛАВА 6. РАДИАЦИОННОЕ РАСПУХАНИЕ ТОПЛИВНОЙ КОМПОЗИЦИИ (Ри, гг)Ы.............................................94
6.1. Результаты измерений наружного диаметра оболочек твэлов и диаметра топливных таблеток...............................................94
6.2. Определение плотности топлива...............................96
6.3. Определение изменения технологической пористости по результатам обработки изображений............................................96
6.4. Определение долей фаз по результатам вычислений с использованием данных рентгеноспектрального и рентгеноструктурного анализов.....99
6.5. Определение долей фаз по результатам обработки изображений..102
6.6. Расчет изменения объема фаз за счет образования осколков деления... 104
Выводы к главе 6................................................108
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.....................................109
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.........................................110
6
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. В настоящее время основную долю отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) составляет топливо энергетических реакторов на тепловых нейтронах. В этом топливе кроме продуктов деления содержатся искусственные трансурановые элементы активационного происхождения - плутоний и так называемые младшие актиниды или минор-актиниды (МА - изотопы нептуния, америция и кюрия), которые характеризуются большим периодом полураспада и высокой радиотоксичностью. По состоянию на 2006 год в мире было накоплено около 110 тонн МА в хранилищах ОЯТ, а также 40 тонн МА в составе высокоактивных отходов переработки ОЯТ. Если не будут приняты меры по обращению с младшими актинидами, то их общее количество может удвоиться к 2020 году [1]. Это обстоятельство в настоящее время приходится учитывать в долгосрочных программах обращения с ОЯТ в странах, развивающих крупномасштабную ядерную энергетику. Обязательной составной частью международных и национальных проектов развития ядерной энергетики являются программы вовлечения плутония в топливный цикл и реакторной утилизации минор-актинидов [1-3]. Такие программы включают разработку топливных композиций, содержащих плутоний и минор-актиниды, и способов их облучения в действующих или будущих типах ядерных реакторов, в том числе специально созданных для целей «выжигания» минор-актинидов и трансмутации радиоактивных продуктов деления. В РФ это подпункт об обезвреживании минорных актинидов ФЦП: «Ядерные энерготехнологии нового поколения на период 2010-2015 годов и на перспективу до 2020 года».
Топливные композиции на основе инертных матриц отличаются от традиционных отсутствием урана-238 - основного сырьевого материала для воспроизводства трансурановых элементов, что обусловливает их привлекательность для реакторной утилизации минор-актинидов, а также для
7
рационального использования накопленного плутония с целью выработки энергии. По сочетанию теплофизических и ядерно-физических свойств для реакторных испытаний и дальнейших исследований в рамках российско-французского эксперимента по утилизации плутония и минор-актинидов выбраны композиции на основе оксида магния и нитрида циркония [1]. Анализ критериев работоспособности композиций на основе оксида магния и нитрида циркония показывает, что основным фактором, определяющим их работоспособность, является сопротивление радиационному распуханию в результате структурно-фазовых превращений в условиях накопления большого количества твёрдых и газообразных продуктов деления при высоком выгорании минор-актинидов.
Концепция выжигания плутония и младших актинидов в композициях с инертными матрицами ещё не принята. Это могут быть гомогенные или гетерогенные топливные композиции или мишени, и они могут находиться в виде твэлов в активной зоне или в экранных ячейках.
Цель работы - выявление механизмов и закономерностей влияния продуктов деления на структурно-фазовые изменения и распухание композиций Ри02+М^0 и (Ри, Zr)N при облучении в реакторе на быстрых нейтронах.
Для достижения указанной цели решены следующие задачи:
1. Методами электронно-зондового микроанализа, сканирующей
электронной микроскопии, металлографии и рентгеноструктурного анализа исследована микроструктура облученной композиции на основе Pu02+Mg0, выявлен её фазовый состав, определен элементный состав выявленных фаз, определено влияние продуктов деления на параметр их элементарных кристаллических решеток.
2. Разработана физическая модель, проведен расчет и сравнение с
экспериментальными данными радиационного распухания композиции Ри02+М§0.
3. Исследованы характеристики микроструктуры и фазовый состав
8
композиции (Ри, ZrУЫ после облучения, распределение и химическое состояние продуктов деления, определены значения пористости.
4. Выявлены радиационно-индуцированные процессы, влияющие на
распухание композиции (Ри, 2г)Ы, проведен расчёт распухания и сравнение с экспериментальными данными.
Научная новизна работы:
1. Получены экспериментальные данные о влиянии нейтронного
облучения на изменения микроструктуры и фазового состава композиции на основе Ри02+М§0. Получены количественные характеристики влияния облучения на элементный состав, параметры элементарных кристаллических решеток и распухание выявленных фаз.
2. На основе экспериментальных данных о фазовом и элементном составе об-лученной топливной композиции РиОг+К^О разработана физическая модель её радиационного распухания при низкотемпературном нейтронном облучении и получены расчетные данные, совпадающие с экспериментальными. Модель учитывает появление новых элементарных ячеек в фазах MgO и РиС>2 на основе осколков деления плутония, изменение параметра решётки MgO с выгоранием и появление газовой пористости.
3. Обнаружено, что при нейтронном облучении происходит распад твёрдого раствора (Ри, 2г)Ы с образованием двух фаз, отличающихся соотношением плутония и циркония.
4. Получены количественные данные о вкладе выявленных радиационно-индуцированных процессов в распухание композиции (Ри, 2г)Ы в условиях низ-котемпературного облучения.
Практическая значимость работы:
Новые экспериментальные данные о влиянии нейтронного облучения на элементный состав и структурно-фазовые изменения топливных композиций на основе оксида и нитрида плутония в инертных матрицах вносят вклад в понимание закономерностей радиационной повреждаемости ядерных материалов и необходимы для разработки и обоснования работоспособности
9
топлива и твэлов для выжигания плутония и минор-актинидов, выделяемых при переработке отработавшего топлива энергетических реакторов, в
частности, позволяют рекомендовать увеличение содержания делящихся нуклидов и повышение выгорания.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Фазовый состав оксидной композиции, содержащей в исходном СОСТОЯНИИ Р11О2, 1^0 И Ри20з, после нейтронного облучения до выгорания 19 % тяж. ат. при температуре до 890°С представляет собой смесь многокомпонентных твердых растворов на основе химических соединений Р1Ю2 и 1^0 с растворёнными в них продуктами деления (БР) плутония - (Ри, РР)02-у и (М^, РР)0/. с относительной долей продуктов деления в инертной матрице 77 ± 10 % от образовавшегося количества.
2. Радиационное распухание оксидной композиции, рассчитанное в соответствии с положениями разработанной модели, после выгорания плутония 11 и 19 % равно соответственно 0,8±0,4 и 1,2±0,7 %. Радиационное распухание, оцененное по увеличению длины топливного столба и соответсвующее выгоранию 19 %, равно 1,1 ±0,7 %.
3. В результате нейтронного облучения происходит распад твёрдого раствора №0,733, Рио,217^ с образованием фаз, отличающихся соотношением плутония и циркония - №г0,84> Рио.1б^ и (Ри0,82> 2г0,18^ с растворенными в них продуктами деления. При низкотемпературном облучении происходит реструктуризация фазы с повышенным содержанием плутония, характеризующаяся образованием субмикронной структуры, выходом газообразных продуктов деления из твёрдого раствора и формированием пористости.
4. Расчетно-экспериментальными исследованиями показано, что распад твердого раствора сопровождался уменьшением объема материала. По результатам расчета, учитывающего объемные изменения при фазовых превращениях, твердорастворное распухание и образование пор, при выгорании 19,4 % плутония распухание композиции (Ри, 7г)Ы равно 5,6±0,8
- Київ+380960830922