к
Работа выполнена в ОАО «Государственный научный центр - Научно-исследовательский институт атомных реакторов»
(ОАО «ГНЦ НИИАР»)
Научный руководитель: доктор физико-математических наук,
Крюков Федор Николаевич
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,
профессор
Лиханский Владимир Валентинович
Защита диссертации состоится « 17 » июня в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.278.01 при ГОУ ВПО Ульяновский государственный университет по адресу: г. Ульяновск, ул. Набережная реки Свияги, 106, корп.1, ауд.703.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Ульяновского государственного университета, с авторефератом на сайте вуза www.uni.ulsu.ru.
Автореферат разослан «______» мая 2010 г.
Отзывы на автореферат просим направлять по адресу: 432000, г. Ульяновск, ул. Л. Толстого, 42, Ульяновский государственный университет,
Управление научных исследований.
доктор физико-математических наук, профессор
Свстухин Вячеслав Викторович
Ведущая организация: ОАО "Институт реакторных материалов"
Ученый секретарь диссертационного совета, к.ф.-м.н.
Вострецова Л.Н.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Диоксид урана в виде спечённых таблеток используется в качестве топлива в ядерных энергетических реакторах на тепловых нейтронах. Эффективность использования топлива определяется уровнем достигнутого выгорания и02, и его повышение является одной из актуальных задач ядерной энергетики. Современные конструкции тепловыделяющих элементов (твэлов) реакторов с водой под давлением типа ВВЭР должны обеспечивать выгорание более 70 МВт-сут/кг и. При изменении условий эксплуатации требуется определение допустимых пределов работоспособности элементов активной зоны в стационарных, переходных и аварийных режимах. Ядерное топливо представляет собой такой компонент реактора, состояние и свойства которого изменяются при эксплуатации наиболее динамично. Повышение выгорания топлива инициирует физические процессы, которые обусловливают не только количественное изменение его характеристик, но и качественно новое его состояние, не наблюдавшееся ранее при проектном выгорании. Поэтому определение допустимых пределов работоспособности твэлов при повышении выгорания основывается на глубоком изучении процессов, происходящих в топливе, и их влиянии на состояние твэлов.
Два основных фактора определяют состояние высоковыгоревшего топлива энергетических реакторов на тепловых нейтронах: реструктуризация в
низкотемпературной внешней области топливного сердечника и накопление газообразных продуктов деления. При увеличении среднего по радиусу твэла выгорания выше 40 МВт-сут/кг и начинается реструктуризация топлива во внешней кольцевой области таблетки - образование пористой и мелкозернистой зоны, распространяющейся от периферии вглубь топливного сердечника. Этот краевой эффект (гйп-эффект) наблюдается в условиях низкой рабочей температуры при превышении предельного значения локального выгорания, которое увеличивается вдоль радиуса к краю таблетки вследствие неравномерного накопления плутония.
Одной из особенностей топлива в краевой зоне (гйл-зоне) является уменьшение способности матрицы удерживать образующиеся газообразные продукты деления. Поэтому явление реструктуризации топлива следует рассматривать вместе с анализом поведения газообразных продуктов деления, накапливающихся в большом количестве и во многом определяющих состояние и эксплуатационные характеристики топлива - распухание, теплопроводность, давление газов в твэле, механическое взаимодействие с оболочкой.
3
Как следует из литературного обзора, явление реструктуризации топлива и поведение газообразных продуктов деления (ГПД) в стационарных и переходных режимах с повышением мощности интенсивно исследуются за рубежом в рамках интернациональных и национальных проектов с целью поиска способов управления процессами, определяющими изменение состояния топлива, учёта при проектировании и эксплуатации твэлов, разработки и верификации моделей и расчётных кодов. Конструктивные особенности отечественных топливных таблеток и отличие условий облучения в отечественных водо-водяных энергетических реакторах (ВВЭР) от условий в иностранных реакторах вызывают необходимость исследовать эти процессы применительно к отечественным материалам и условиям. В России разработка моделей физических процессов в ядерном топливе под облучением и твэльных кодов осуществляется в РНЦ «Курчатовский институт», ФГУП ВНИИНМ, ФГУП РФ ТРИНИТМ, ИБРАЭ РАН, МИФИ. Основой для разработки и верификации моделей и кодов являются экспериментальные результаты послереакторных исследований топлива и твэлов, осуществляемых, в частности, в ГНЦ НИИАР.
Цель и задачи работы. Цель работы - выявление закономерностей распределения ксенона и изменения микроструктуры оксидного топлива в тепловыделяющих элементах отечественных водо-водяных энергетических реакторов на тепловых нейтронах, вызванных радиационно-индуцированными процессами при высоком выгорании.
Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие задачи:
1. Выявление и анализ экспериментальных закономерностей наработки и накопления ксенона в различных микроструктурных составляющих топливных таблеток иОг со средним выгоранием до 71 МВт-сут/кг и.
2. Выявление закономерностей изменения микроструктуры и02 по радиусу топливных таблеток при различных уровнях выгорания.
3. Усовершенствование и верификация методик количественного электронно-зондового рентгеноспектрального микроанализа неодима и ксенона применительно к высоковыгоревшему топливу реакторов ВВЭР.
4. Разработка и верификация методик расчета локального выгорания топлива и наработки ксенона при облучении в реакторах ВВЭР.
Научная новизна:
1. Разработана физико-математическая модель выгорания, учитывающая неравномерность скорости образования плутония за счёт резонансного захвата
4
нейтронов ядрами 238и.
2. Показано, что в низкотемпературной краевой зоне топливных таблеток при достижении локального выгорания 1Ю2 55 МВт-сут/кг и происходит гетерогенный процесс зарождения, роста и объединения реструктурированных микрообластей с размером субзёрен 200*400 нм, что сопровождается частичным выходом ксенона из твёрдого раствора и формированием пористости. При локальном выгорании и02 более 120 МВт-сут/кг и весь объём топлива имеет субзёренную структуру с массовой долей ксенона в твёрдом растворе 0,2 % и объёмной долей газонаполненных пор со средним диаметром 0,9 мкм около 25 %.
3. Показано, что в центральной высокотемпературной области топливных таблеток с выгоранием 70 МВт-сут/кг и реструктуризация иС>2 происходит по границам исходных зёрен с образованием субзёрен размером 20(Н400 нм и газонаполненных пор со средним значением диаметра 0,5 мкм.
4. Доказано, что формирование пористости и перераспределение ксенона в высокотемпературной области таблетки 1Х)2 с выгоранием 60 МВт-сут/кг и при номинальном режиме облучения в реакторе ВВЭР-1000 связано с термодиффузией ксенона из твёрдого раствора в поры диаметром от 0,3 до 2 мкм.
Практическая значимость:
1. Получены новые экспериментальные закономерности влияния облучения в реакторах на тепловых нейтронах на поведение ксенона и изменение микроструктуры топлива, которые необходимы для разработки и обоснования работоспособности топлива и твэлов с повышенными эксплуатационными характеристиками.
2. Разработаны, физически обоснованы и метрологически аттестованы экспериментальные и расчётные методы исследования высоковыгоревшего топлива, которые используются при выполнении научных программ Росатома.
3. Результаты исследования поведения ксенона и микроструктурных изменений топлива использованы для обоснования работоспособности твэлов при повышении выгорания в реакторах ВВЭР-1000 и ВВЭР-440 соответственно до 60 и 70 МВт-сут/кг и, для разработки и верификации физических моделей и расчётных кодов.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Зависимость локального выгорания 1Ю2 от координаты вдоль радиуса топливной таблетки определяется уровнем достигнутого среднего выгорания и
5
скоростью образования плутония из 238и. Неравномерность локального выгорания по радиусу топливной таблетки увеличивается с ростом среднего выгорания.
2. Закономерности поведения ксенона во взаимосвязи с изменением микроструктуры Ш2 в высоковыгоревшем топливе реакторов ВВЭР при различных уровнях локального выгорания.
3. При среднем выгорании в топливной таблетке 70 МВт-сут/кг и явление реструктуризации диоксида урана, распространяясь от внешнего края по границам исходных зёрен, достигает центрального отверстия.
4. Механизм выхода ксенона из матрицы топлива в высокотемпературной области высоковыгоревших топливных таблеток ВВЭР-1000 связан не только с реструктуризацией 1Ю2, но и с термодиффузией ксенона во внутризёренные и межзёренные поры.
5. Разработанные методики расчёта локального выгорания по содержанию неодима и наработки ксенона в высоковыгоревшем оксидном топливе реактора типа ВВЭР доказали свою достоверность и метрологическую состоятельность в течение нескольких лет применения. Усовершенствованные методики электронно-зондового микроанализа облучённого высокорадиоактивного топлива позволяют определить содержание неодима и ксенона в 1Ю2 с массовой долей более 0,02 %.
Апробация работы. Основные результаты диссертации были доложены и обсуждены: на международном семинаре «Поведение газовых продуктов деления в топливе водоохлаждаемых реакторов», Кадараш, Франция, 26-29 сентября 2000 г.; Европейской рабочей группе "Горячие лаборатории и дистанционное обслуживание", г. Сакле, Франция, 22-24 сентября 2003 г.; международной конференции по физике радиационных явлений и радиационному материаловедению 6-11 сентября 2004 г., г. Алушта; 6-ой Международной конференции "Ядерная и радиационная физика" 4-7 июня 2007 г. Алматы, Казахстан; Российских конференциях по реакторному материаловедению г. Димитровград, 11-15 сентября 2000 г., 8-12 сентября 2003 г., 14-18 сентября 2009 г.; XII и XIII Российских симпозиумах по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твёрдых тел, Черноголовка, ИПТМ РАН, 4-6 июня 2001 г. и 2-4 июня 2003 г.; XIX Российской конференции но электронной микроскопии, Черноголовка, ИПТМ РАН, 28-31 мая 2002 г.; Российских научных конференциях «Материалы ядерной техники (МАЯТ-2)» 19-23 сентября 2005 г. и МАЯТ-ОФИЭ 3-7 октября 2006 г, г. Туапсе; отраслевых семинарах: «Вопросы создания новых
6
методик исследований и испытаний, сличительных экспериментов, аттестации и аккредитации», г. Димитровград, 12-13 ноября 2001 г.; «Физическое моделирование изменения свойств реакторных материалов в номинальных и аварийных условиях», г. Троицк, ГНЦ РФ ТРИ11ИТИ, 24-25 апреля 2000 г. и г. Заречный, ИРМ, 14-15 мая 2003 г.
Личный вклад автора. Основной объём экспериментальных результатов, зависимостей и закономерностей, использованных в диссертации, получен лично автором, ряд результатов получен при участии научного руководителя. Исследования методом сканирующей электронной микроскопии выполнены с участием Кузьмина С.В. Соискателю принадлежит участие в постановке задач, разработке и усовершенствовании методик электронно-зондовых исследований, в получении и анализе основных результатов.
Достоверность полученных результатов подтверждается:
- воспроизводимостью экспериментальных данных на большом количестве исследованных образцов;
- верификацией методов исследований по результатам измерений другими методами и сравнением с литературными данными;
- метрологической аттестацией методик исследования;
- наличием системы обеспечения качества в ГНЦ НИИАР в соответствии с государственной аккредитацией научной организации, свидетельство № 3656 от 29 января 2002 г., серия АНО 002246, а также лицензиями на осуществление деятельности по данному тематическому направлению: ГН-08-115-0815 от 29.04.2002 г., ГН-08-115-0815 от 29.04.2002 г., ВО-09-501-0817 от 18.12.2002 г. и аттестатом аккредитации испытательной лаборатории (центра) Лг9 ИК 0008 (POCCRU 0001 01Аэщ00. 73.22.0008) от 19.02.2001 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 работы, из них 6 статей в рецензируемых журналах, входящих в список изданий, рекомендованных ВАК РФ, 16 докладов в сборниках и трудах международных и российских научных конференций, 1 монография.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем работы составляет 109 страниц, включая 71 рисунок и 12 таблиц. Список литературы содержит 63 наименования.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дана общая характеристика диссертационной работы, обоснована актуальность темы, изложены научная новизна и практическая
7
значимость работы, сформулированы основные положения, выносимые на
защиту.
В первой главе проведен анализ литературы, посвященный современному состоянию экспериментальных и теоретических исследований, касающихся изменения состава и микроструктуры топлива энергетических реакторов на тепловых нейтронах при высоком уровне выгорания. На основании анализа состояния проблемы высоковыгоревшего топлива реакторов на тепловых нейтронах определены цель и задачи настоящей работы применительно к отечественным материалам.
Во второй главе представлены характеристики топливных композиций и методы их исследования.
В качестве топлива российских реакторов ВВЭР используется обогащенный до 3,6 + 4,4 % по и диоксид урана в виде таблеток с центральным отверстием. В качестве оболочек твэлов в настоящее время используется сплав 2г-1%КЬ. Для эксплуатации твэлов в активных зонах ВВЭР характерно постепенное снижение уровня линейной мощности с выгоранием. Так в исследованных твэлах ВВЭР-440 линейная тепловая мощность снижалась с 250 Вт/см в начале периода эксплуатации до 100 Вт/см в его конце, в твэлах ВВЭР-1000 соответственно с 300 + 320 до 100+ 150 Вт/см. Для изучения свойств топлива при повышенном выгорании наряду с исследованием твэлов после штатной эксплуатации в энергетических реакторах в НИИАР была реализована программа дооблучения в исследовательском реакторе МИР отработавших штатных твэлов ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 с последующими послереакторными исследованиями (табл. 1).
Изучение распределения в облучённых таблетках и02 продуктов деления осуществлялось методом электронно-зондового рентгеноспсктрального микроанализа на модернизированном микроанализаторе МАР-4.
Для обеспечения работ с высокорадиоактивными материалами, каковым является облучённое топливо, аналитическая часть прибора с электронной оптикой, спектрометрами и вакуумной системой размещена в защитной камере, разработанной в соответствии с нормами радиационной безопасности, а рабочее место исследователя с системами управления и обработки данных - в операторском помещении. Возможность дистанционного обслуживания и управления на всех этапах исследования обеспечена изменениями конструкции прибора и высоким уровнем автоматизации.
Требование обеспечения работоспособности прибора в условиях воздействия ионизирующих излучений выполнено путем выбора радиационно-
8
стойких материалов и электронных элементов, изменением и введением дополнительных элементов конструкции.
‘ ■ Таблица 1
Основные характеристики исследованных твэлов ■ , :
Реактор ТВС/твэл . Обогащение топлива по . 235и, % • . Длительность эксплуатации, топливный цикл. Максимальное выгорание, МВтхут/кги
ВВЭР-440 198/96 3,6 4\ 50,6 ,
ВВЭР-440 228/68 3,6 5 60,8
ВВЭР-440 228/34 3,6 '. 5 60,2
ВВЭР-440 . 222/111. 4,4 •• 5 59,2 • .
. ВВЭР-440 222/35 4,4 . 5- • 58,6
ВВЭР-440 46879/7 ■ 4,4 • 6Л 70-
ВВЭР-1000 ЕД1352/97 3,6 4 46,8
ВВЭР-1000 ЕК6393/40 . 4,4 : 3 47
ВВЭР-1000 325/148 . 4,4 4 57,8-
ВВЭР-1000 325/96: .4,4: 4 / 54 ‘ -
ВВЭР-1000 ЕДК 7713 4,4 5* 60 . ... . •
ВВЭР-1000 СВ0013/4 . 4,4 • ' * 6 ‘ 70^
ВВЭР-1000 ■ 4108/177' •7 4,4 . 3+дооблучение в реакторе МИР. 59,5 *
МИР . ЭТВС 4,4; Не регламентировалось 46
Технические возможности прибора и программное обеспечение позволяют кроме измерений по выбранным точкам осуществлять : измерения при сканировании по- определенному . маршруту • с заданным шагом • с преобразованием значений интенсивности аналитической; линии в массовые доли; В процессе преобразования учитываются интенсивность рентгеновского и радиационного фона, результаты измерений на стандартном образце, возможный', дрейф и отличие величины тока зонда на исследуемом и стандартном образцах и матричные эффекты.
Исследование микроструктуры облучённого топлива, осуществлялось на шлифах и изломах вдоль радиуса таблеток методом сканирующей электронной микроскопии на электронном микроскопе Philips XL. 30 ESEM-TMP, установленном ; в защитной камере. Микроскоп оснащён спектрометром волновой дисперсии для осуществления микроанализа, что позволило кроме характеристик микроструктуры получать карты распределения ксенона по площади микрошлифов с привязкой к конкретным элементам микроструктуры.
Третья глава посвящена разработке и усовершенствованию методик исследования высоковыгоревшего топлива на основе электронно-зондового
9
микроанализа. Представлено описание, и метрологические характеристики методик определения массовой доли урана, плутония, неодима и ксенона. Разработан способ расчёта выгорания по содержанию неодима. Предел обнаружения массовой доли неодима Спо для силы тока зонда 600 нА и времени измерения 30 с рассчитанный по формуле
СпО - 3’C'(N ф o6pf5/NCm, (1)
где С - массовая доля элемента в стандартном образце, Ncm - число импульсов при измерении пика линии на стандартном образце, N ф. 0бР- - число импульсов при измерении фона на исследуемом образце, равен 0,02 %.
Методика расчёта выгорания по содержанию неодима учитывает доли
у 235тт 239п 241 238. т
делении и, Ри, Ри и U, их изменение с выгоранием, суммарный выход
изотопов Nd и эффекты трансмутации, приводящие к наработке 142Nd и ,44Nd.
Методика верифицирована по данным масс-спектрометрических измерений.
Определение содержания ксенона в облученном топливе методом электронно-зондового микроанализа имеет особенности, связанные с тем обстоятельством, что часть газа может находиться в порах с максимальным диаметром порядка микрометра. Глубина зоны возбуждения характеристического рентгеновского излучения Хе Lai в U02 в процессе анализа (ЛГ,-) при энергии первичного пучка электронов 15, 20, 30 и 50 кэВ, рассчитанная но формуле
*г = 0,0б4-(£»1-68 - ЕКРшУр, (2)
где Е0 - энергия электронов зонда (кэВ), ЕКР - критическая энергия возбуждения рентгеновской линии (кэВ), р - плотность материала образца (г/см3), равна около 0,5; 0,8; 1,7 и 4,3 мкм соответственно. Это позволяет
использовать возможности микроанализа как структурно чувствительного метода для исследования поведения ксенона. При энергии электронов микрозонда до 20 кэВ можно регистрировать и проводить количественные измерения части ксенона, находящейся в матрице топлива в твёрдом растворе и в мелких порах диаметром до 10 нм. При более высокой энергии можно также регистрировать ксенон, находящийся в более крупных порах. При этом возможно получение картины распределения ксенона в приповерхностных (на шлифе) порах. Для определения массовой доли ксенона в облучённом XJ02 разработана методика на основе электронно-зондового микроанализа, использующая в качестве стандартного образца сравнения чистый теллур. Содержание ксенона (Суе) определяли по формуле:
10
= _ J^U3M).F^ (3)
У(7‘е)(мзл<)-^<Гс)-кл.в где Jxe(u3M) и /1с)(изм) — измеренные интенсивности Lai ~ линии ксенона в исследуемом образце UO2 и чистого теллура соответственно, F(xe) и F°c) — поправочные факторы для ксенона в UO2 и для чистого теллура соответственно. Поправочные факторы учитывают различие условий взаимодействия электронного зонда с U02 и Те, генерирования характеристического рентгеновского излучения Lai Хе в U02 и Lai Те в чистом теллуре и его взаимодействия с указанными веществами. Коэффициент корреляции между интенсивностями Lai-липии ксенона и теллура (кХе) находили из графика зависимости к^от атомного номера элементов в ряду от индия до неодима:
Ji0 (изм)' F{,)
J{Tc\u3m)-F{
где J®(изм) и I*» - измеренные интенсивности Lai - линии и поправочные факторы элементов в ряду от индия до неодима. Необходимые для этого экспериментальные значения fl}(изм) получены путем измерений на чистых элементах или их химических соединениях. Значения поправочных факторов F/,) для указанных элементов рассчитывали по разработанной программе ZAF-коррекции. Предел обнаружения Сцо для ксенона в U02, определяемый по формуле (1) равен 0,03 %. Таким образом, методики электронно-зондового микроанализа обеспечивают возможность определения содержания неодима и ксенона в облучённом U02 с массовой долей более 0,02 %.
Для расчёта образовавшегося количества ксенона в облучённом топливе и его радиального распределения разработана методика, учитывающая локальное
235. . 239п 241„
выгорание топлива, выход изотопов ксенона при делении ядер U, Ри, Ри и 238U, изменение их долей делений с выгоранием, трансмутационные эффекты, связанные с большими сечениями захвата тепловых нейтронов изотопами |33Хе и 135Хе. Сравнительный расчёт накопления ксенона при выгорании с использованием разработанной модели и по коду CASMO показал хорошее совпадение результатов (различие менее 0,3 %).
Четвертая глава посвящена исследованию закономерностей поведения ксенона при облучении топлива ВВЭР в номинальном режиме.
Исследования с помощью электронно-зондового микроанализа начинаются с измерения значений локального содержания неодима в образцах топлива, которые затем используются для расчёта локального выгорания и построения радиального профиля локального выгорания В(г/гя), аппроксимируя его функцией вида
11
- Київ+380960830922