В. Г. БАРАНОВ, А. В. ТЕНИШЕВ, С. А. ПОКРОВСКИЙ, Д. П. ШОРНИКОВ, Р. С. КУЗЬМИН
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МОДИФИЦИРОВАННОГО ОКСИДНОГО
ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА
Показана необходимость применения в реакторах типа ВВЭР модифицированного ядерного топлива. В связи с этим были проведены измерения таких теплофизических характеристик легированных таблеток, как теплоемкость, коэффициент температуропроводности и коэффициент линейного термического расширения. По полученным данным была рассчитана температурная зависимость коэффициента теплопроводности в интервале 450–1600 °С.
Для уменьшения стоимости топливного цикла реакторов типа ВВЭР необходимо увеличить выгорание топлива до уровня 80–100 МВт·сут/кг U. Достижение такого высокого выгорания связано с необходимостью применения модифицированного оксидного ядерного топлива. Под модифицированным топливом понимают топливо легированное как 4–8 мас.% выгорающего поглотителя нейтронов (Gd2O3), улучшающего безопасность ВВЭР, увеличивающего загрузку топлива в реактор, повышающего его выгорание, так и микроколичествами Al2O3, SiO2, Nb2O5, Fe2O3, которые увеличивают размер зерна и способствуют повышению ресурсных характеристик твэлов путем снижения повреждаемости оболочек.
Теплофизические свойства таблеток [1] оказывают влияние на распределение температур по топливному сердечнику, динамику выделения газов под оболочку, ползучесть диоксида урана, изменение размеров топливной таблетки при смене режимов работы. Поэтому определение таких характеристик топлива, как коэффициент температуропроводности, теплоемкость, коэффициент линейного термического расширения, коэффициент теплопроводности необходимо для обоснования возможности работы модифицированного оксидного ядерного топлива в реакторах типа ВВЭР.
Теплофизические свойства таблеток модифицированного оксидного ядерного топлива сильно зависят от количества и вида легирующих добавок. В связи с этим в данной работе исследованы теплофизические характеристики следующих образцов, представленных в табл. 1.
Таблица 1
Характеристики исследованных образцов
Партия | Р (репер) | М (муллит) | С (сурик) | Г (гадолиний) |
Состав | UO2 | UO2 + 0,25 мас. % (Al2O3+SiO2) + 0,1 мас. % Nb2O5 | UO2 + 0,1 мас. % Fe2O3 + 0,2 мас. % Nb2O5 | UO2 + 5 мас. % Gd2O3 |
Температура спекания, °С | 1650 | 1750 | 1650 | 1600 |
Спеченная плотность, г/см3 | 10,62 | 10,40 | 10,75 | 10,30 |
Металлографические исследования образцов показали, что образцы партии М являются двухфазными, а реперные партий С и Г – однофазными. Количество второй фазы в образце партии М невелико, и она располагается по границам зерен основной фазы.
Средний размер зерна определялся по снимкам, в образцах партии Р он составляет 8–10 мкм, в образцах М и С превышает 25 мкм, а в образцах партии Г – 1–2 мкм.
Температурные зависимости теплоемкости этих образцов измерены с помощью синхронного термоанализатора «Netzsch» STA 409 C методом дифференциальной сканирующей калориметрии.
Данные, полученные для образцов партий Р, М и С (рис. 1), хорошо согласуются с литературными рекомендациями, однако при высоких температурах лежат характерно выше. Теплоемкость диоксида урана с добавками Gd2O3 на 5–10 % ниже, чем для образцов других партий. Учитывая то, что теплоемкость оксида гадолиния ниже теплоемкости диоксида урана, полученные результаты хорошо объясняются законом Копа-Ноемана.
|
Рис. 1. Температурная зависимость теплоемкости образцов диоксида урана различного состава
Определение температурной зависимости коэффициента линейного термического расширения топливных таблеток предназначено для оценки изменения высоты и диаметра топливного сердечника при рабочей температуре. Кроме того, исследования теплового расширения позволяют получать сведения о силах, действующих между атомами, а также оценивать анизотропию и ангармонизм межатомного взаимодействия в твердых телах.
Рис. 2. Термическое расширение диоксида урана партии Р, С, М и Г
При помощи высокотемпературного дилатометра «Netzsch» DIL 402 C определены температурные зависимости коэффициентов линейного термического расширения (рис. 2). Следует отметить, что температурные зависимости относительного удлинения, полученные для образцов диоксида урана всех партий, различаются не более чем на 10 %, что логично, так как относительное удлинение практически не зависит от вида и количества примесей, а определяется в основном свойствами матрицы.
Методом лазерной вспышки были определены температурные зависимости коэффициента температуропроводности [2]. Исследования показали, что введение в диоксид урана добавок, увеличивающих размер зерна, вызывает незначительное снижение температуропроводности.
Добавки интегрированных выгорающих поглотителей, которые, как известно, входят в состав твердого раствора, вызывают значительное снижение температуропроводности за счет повышения дефектности кристаллической решетки и сопутствующего этому усиления рассеяния фононов точечными дефектами.
По полученным данным коэффициента температуропроводности, теплоемкости, и относительного удлинения были рассчитаны значения коэффициента теплопроводности образцов в интервале температур от 450 до 1600 °С (рис. 3).
Рис. 3. Температурная зависимость теплопроводности
образцов различного состава
Из рис. 3 видно, что введение добавок вызывает снижение теплопроводности диоксида урана, причем добавки стимулирующие рост зерна снижают теплопроводность слабее, чем добавки оксида гадолиния.
Для сравнения полученных данных с литературными данными, по значениям теплопроводности были рассчитаны значения теплосопротивления для образца партии Р. Полученная зависимость термосопротивления образца от температуры является линейной вплоть до 1600 К. Следовательно, для температуры < 1600 К основным механизмом переноса тепла является фононная составляющая теплопроводности и зависимость R(T) может быть описана исходя из теоретической модели фононной теплопроводности, разработанной Клеменсом [3]:
λф = R–1 = (A + B∙T) –1,
где R – термосопротивление, А – константа, отвечающая за рассеяние фононов примесными атомами, а В – отвечающая за фонон-фононное рассеяние. Параметры А и В этого уравнения для измеряемых образцов определялись с помощью температурной зависимости теплосопротивления (табл. 2).
Значения коэффициентов В (фонон-фононное рассеяние) для реперного образца совпадают с расчетными значениями в пределах 15 %, в то время как разница параметра А (рассеяние фононов на дефектах), полученного для образца партии Р с расчетными значениями составляет 52 %. Данное расхождение в параметре А объясняется наличием в образцах технологических примесей, также различие в стехиометрии, а недостающий или избыточный атом в кислородной подрешетке, вследствие закона сохранения заряда, приводит к появлению U+3 или U+5 в урановой подрешетки, которые также являются центрами рассеяния фононов и вызывают снижение теплопроводности.
Таблица 2
Коэффициенты уравнения R = А + ВT для реперного образца UO2
Партия Р | Хардинг [4] | Ronchi [5] | |
А · 10–2 м · К/Вт | 4,91 | 3,75 | 2,57 |
В · 10–4 м/Вт | 1,84 | 2,165 | 2,206 |
Более низкая теплопроводность легированных образцов по сравнению UO2 связана с тем, что в UO2 при данных температурах доминирует фонон-фононное рассеяние, в то время как в легированных образцах усиливается влияние рассеяния фононов точечными дефектами. Влияние точечных дефектов на теплопроводность связано с сечением рассеяния фононов точечными дефектами. При растворении легирующих элементов в решетке UO2 возникают напряжения за счет различия ионных радиусов урана и легирующих элементов. Эти факторы приводит к увеличению теплового сопротивления решетки. Кроме того, при введении в UO2 полуторных оксидов типа Me2O3 в кристаллической решетке образуются ионы U+5, что еще больше увеличивает концентрацию центров рассеяния фононов. Меньшее влияние на теплопроводность добавок стимулирующих рост зерна связано, во-первых, с их очень малым количеством, а во-вторых, с тем, что они располагаются в основном по границам зерен и не вносят искажений в решетку диоксида урана [4].
На основании полученных результатов можно заключить, что введение микродобавок SiO2, Al2O3, Nb2O5 Fe2O3 позволило увеличить размер зерен диоксида урана до 25 мкм. Введение оксида гадолиния приводит к снижению размера зерна таблеток до 1–2 мкм.
Установлено, что введение легирующих элементов понижает температуропроводность диоксида урана во всем интервале температур, причем введение оксида гадолиния оказывает большее влияние, чем добавки алюмосиликатов и оксида ниобия.
Дилатометрические исследования диоксида урана показали, что термическое расширение легированных и чистых образцов отличается не более чем на 10 %.
С помощью дифференциальной сканирующей калориметрии была определена теплоемкость образцов диоксида урана, легирование добавками, стимулирующими рост зерна, слабо влияют на теплоемкость, в то время как добавки оксида гадолиния снижают ее на 10 %, что согласуются с законом аддитивности.
По полученным данным были рассчитаны температурные зависимости теплопроводности образцов диоксида урана. Добавки, стимулирующие рост зерна, снижают теплопроводность диоксида на 15 %, а добавки оксида гадолиния – на 40 % при 500 °С. При 1600 °С эти значения уменьшаются до 5 и 20 % соответственно.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Carbajo J.J., Yoder G.L., Popov S.G. et. al. // J. Nucl. Mater. 2001. V. 299. P. 181.
2. , , и др. // Перспективные материалы. 2009. № 4. С. 91.
3. Klemens P. G. // Phys. Rev. 1960. V. 119, P. 507.
4. Ronchi C., Sheindlin M., Musella M. et al. // J. of App. Phys. 1999. V. 85. P. 776.
5. Harding J. H., Martin D. G. // J. Nucl. Mater. 1989. V. 166. P. 223.
