В. Г. БАРАНОВ, В. В. НЕЧАЕВ, Б. В. ПРОДУВАЛОВ,
А. В. СВЕТЛОВ, А. В. ТЕНИШЕВ, Д. П. ШОРНИКОВ
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
ОСОБЕННОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МОЛИБДЕНОВОГО
БАРЬЕРНОГО ПОКРЫТИЯ ДИСПЕРСНОГО U‑Mo
ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА С АЛЮМИНИЕВОЙ МАТРИЦЕЙ
На основании термодинамического анализа устойчивости ряда соединений как барьерных слоев на границе «дисперсное ядерное топливо U-Mo – Al матрица» предложено использовать в качестве перспективного покрытия чистый молибден. Проведено исследование взаимодействия в системе Mo‑Al при температурах 600‑700°С. Полученные результаты свидетельствуют об ослаблении взаимодействия алюминиевой матрицы с повышением чистоты молибдена.
Опыт эксплуатации твэлов с высокоплотной делящейся фазой U‑9мас. %Mo низкого обогащения (20 % по 235U) показал, что при выгораниях до 80‑90 МВт∙сут/кгU в системе топливо – оболочка идет химическое взаимодействие, приводящее к локальным формоизменениям в виде вздутий. В этой связи проводятся работы по нанесению на поверхность топливных частиц дисперсного ядерного топлива слоя барьерного покрытия, препятствующего взаимодействию U-Мо сплава с алюминиевой матрицей. В частности, осуществляется формирование защитных покрытий напылением слоёв нитридов Ti, Zr или Nb, которые предположительно могут защищать сплав урана от взаимодействия со сплавами алюминия. Возможно также создание покрытий из UO2, UC или UN путём отжига урана в контролируемой газовой среде. Следует отметить, что и термодинамические расчеты, и термические испытания частиц топлива, имеющих такие покрытия, показали невозможность полного предотвращения взаимодействия урана с алюминиевой матрицей.
В работе выполнен термодинамический анализ взаимодействия ряда композиций (составов) барьерного слоя на границе топливо – матрица. Результаты расчётов показывают, что наиболее перспективным в химическом отношении является чистый молибден. Он не взаимодействует с частицей топлива, а его сродство к алюминию того же порядка, что и у других исследованных материалов. В этой связи представилось целесообразным провести первичные испытания в системе чистый молибден – алюминий, а затем определить влияние химически активных продуктов деления (ИПД) Сs и I на кинетику взаимодействия алюминия и молибдена.
На данном этапе испытания в системе Mo‑Al, без добавки ИПД, проведены в диапазоне 300‑700°С. Показано, что хлоридный молибден и Мо марки МЧВП практически совместимы с Al в диапазоне 300‑630°С при выдержке до 5 час. Для проверки совместимости газофазного хлоридного молибдена (<0,01% по О и N, микротвёрдость по Кнупу 1,5ГПа) и молибдена марки МЧВП (99,97% по Мо) с жидким алюминием испытания велись при 660ºС в вакууме, а при 700°С – под слоем флюса (50мас.% NaCl, 50мас.% КCl). Плавку проводили при остаточном давлении 2,1 Па при непрерывной откачке. Образцы нагревали со скоростью 200°/час и выдерживали один час при заданной температуре. Охлаждение проводили со скоростью 200°/час. Микроструктуры на границе взаимодействия жидкого Al с Мо представлены на рис. 1. После охлаждения в массиве алюминия имелось малое количество пустот и пор; алюминий образовывал с поверхностью молибдена плотный контакт.
Рис.1. Граница Mo-Al; ×400:
а – молибден марки МЧВП, плавка в вакууме при 660°С;
б – хлоридный молибден 99,99%, плавка под флюсом при 700°С
Из микроструктурных исследований, а также результатов микрорентгеноспектрального анализа очевидно наличие взаимодействия жидкого Al с Мо. Непосредственно на поверхности молибденового образца образуются интерметаллическое соединение Al8Mo3 (72‑75ат.% Al), толщина слоя которого составила 8‑10 мкм. Затем идёт слой Al4Mo (область гомогенности 80,0‑80,4ат.%Al) толщиной 20‑50мкм. Общая зона взаимодействия Al с Mo за 1 час при 660°С находится на уровне 30 мкм, а при 700°С – 50‑60мкм. Микротвёрдость после испытаний составила значения:
для хлоридного Мо – 2,7ГПа; Мо марки МЧВП – 3,2ГПа;
интерметаллида Al8Mo3 – 5,9ГПа.
