УДК 621.039.54
ПОЛУЧЕНИЕ ДИСПЕРСИОННОГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА МЕТОДОМ СВС
,
Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Научный руководитель – ассистент кафедры ФЭУ ФТИ ТПУ
Самый распространенный источник энергии в современном обществе – органическое топливо (уголь, нефть, газ). С каждым годом энергопотребление растет, соответственно сильнее истощаются запасы традиционного топлива. Но несколько десятков лет назад появилась ядерная энергетика, способная обеспечить увеличивающийся расход энергии на длительный период.
ВВЭР – самый распространенный тип реактора в России и мире (в других странах LWR – light-water reactor). Ядерный топливный цикл ВВЭР хорошо освоен и позволяет производить ядерные реакторы с электрической мощностью 1000 МВт. Стоимость выработки электроэнергии на АЭС уже сейчас в полтора раза ниже, чем на ТЭС [1].
В ядерном реакторе в качестве топлива на сегодняшний день используется диоксид урана. В процессе «сгорания» или деления урана освобождается огромное количество энергии. Теплотворная способность 1 кг U235 как горючего в 50 млн. раз больше теплотворной способности 1 кг каменного угля [2].
Теплопроводность UO2 при 300, 600, 1000 и 1600 К соответственно равна 8,2, 5,6, 3,7, 2,4 Вт/(м·К) [3]. Это свойство UO2 не позволяют использовать весь потенциал ядерного реактора. Но если частицы диоксида урана заключить в металлическую матрицу, то получится металлокерамическое топливо. Такое дисперсионное топливо способно обеспечить больший теплоотвод в сравнении с керамическим топливом.
За счет матрицы из металла, сплава или интерметаллида топливная таблетка становится прочнее, что позволяет более эффективно удерживать продукты деления внутри нее, а также градиент температур от центра таблетки к краю значительно уменьшается по сравнению с керамическим топливом. Снижение температур в центре топливной таблетки позволяет снизить термомеханические напряжения и тем самым повысить запас прочности топлива при нормальной эксплуатации.
В настоящее время дисперсионное топливо получают смешиванием отдельно приготовленных порошков при дальнейшем прессовании и спекании в компактное изделие. Но до сих пор нигде не использовался для получения дисперсионного ядерного топлива метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС).
СВС был открыт несколько десятилетий назад. Существует два способа нагрева исходной смеси. Первый способ – нагревание образца медленно, чтобы весь объем имел одну и ту же температуру. В таком случае реакция происходит во всем образце одновременно, и такой режим называется тепловым взрывом или объемным горением. Порошковая технология реакционного спекания имеет общие черты с этим режимом СВС, но при реакционном спекании стараются избегать самопроизвольного разогрева образца вследствие химической реакции, а при СВ-синтезе используют этот разогрев.
Второй способ инициирования – оптимальный и быстрый прогрев малой части образца, что приводит к локальному инициированию экзотермической реакции, которая распространяется по всему объему образца в виде волны горения. Такой режим СВС называется «автоволновым режимом горения» [4].
Можно выделить основные преимущества СВС. Во-первых, СВС более экономически выгоден, так как реакция проходит за несколько секунд, энергия передается от более нагретых слоев к менее нагретым, поэтому необходимо тратить энергию только на нагрев реакционной смеси до температуры инициирования. Во-вторых, из-за высоких температур все примеси покидают систему, а это способствует получению чистого продукта. В-третьих, это простота оборудования, и в-четвертых – возможность работы с большим количеством вещества.
В данной работе рассматривается возможность получения дисперсионного металлокерамического ядерного топлива методом самораспространяющего высокотемпературного синтеза. Этапы получения дисперсионного ядерного топлива представлены на рисунке 1.
На первом этапе происходит подготовка к синтезу. Диоксид урана смешивается с исходными компонентами в мельнице, что сопровождается механической активацией. Механоактивация – обработка горючих смесей в высокоскоростных шаровых планетарных мельницах, вибромельницах и других устройствах с целью деформации и разрушения твердого тела путем накопления точечных дефектов и дислокаций. В процессе механоактивации увеличивается площадь контакта, уменьшается размеры частиц реагентов, то есть запасается энергия, которая потом высвобождается во время синтеза. Поэтому механическая обработка способствует более полному сгоранию компонентов, снижению температуры воспламенения и, в некоторых случаях, росту скорости распространения волны горения.
Второй этап также является подготовительный к синтезу. Прессование позволяет позволять получать нужную форму продукта. Но здесь также необходимо изучение, так как существуют несколько параметров, от которых зависят свойства конечного продукта. Например, давление, время прессования, температура прессования и т. д.
Рисунок 1. Этапы получения дисперсионного ядерного топлива.
Синтез характеризуется скоростью распространения фронта волны реакции, температурой инициирования, максимальной температурой синтеза. Изучение этих параметров позволяет управлять реакцией синтеза и получать продукт с требуемыми параметрами. СВС сопровождается разнообразными физическими, химическими и структурными превращениями, поэтому необходимо использование широкого спектра методов для изучения процессов горения.
Существуют 4 зоны, из которых состоит волна горения: а) зона тепловыделения – в ней протекает экзотермическая реакция горения, и она же определяет скорость распространения фронта; б) зона прогрева – предпламенная зона, в которой разогреваются реагенты благодаря теплопередаче от реагирующего слоя; в) зона структурообразования, удаленная от фронта горения и определяющая строение, состав и свойства конечных продуктов; г) зона догорания – в ней происходит медленное остаточное реагирование, и она определяет полноту превращения.
На данный момент были проведены исследования по синтезу матрицы NiAl. Без достаточного теплоотвода наблюдается бурное реагирование, что проводит к большой пористости и слоистости продукта NiAl. Таблетка сохраняет форму при введении в нее готового продукта, то есть частицы NiAl веденные в смесь Ni-Al забирают избыточное тепло, и «напор» реакции снижается.
Четвертый этап – последний этап, в котором происходит обработка полученных таблеток. Пятый этап – контроль, необходим для проверки качества топливных таблеток. После всех этапов металлокерамическое топливо готово для дальнейшего их использования в ядерном реакторе.
СВС-технологии способны конкурировать с традиционными металлургическими, порошковыми технологиями. Внедрение СВС в ядерный топливный цикл, а именно изготовление ядерного топлива, позволит снизить экономические расходы и усовершенствовать технологию производства «атомной» энергии.
Список литературы
Владимиров ядерных реакторов: Практические задачи по их эксплуатации. Изд. 5-е, перераб. и доп. – М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2009. – 480 с. Металлургия ядерного горючего. , Евстюхин для вузов. Изд. 2. М., Атомиздат,1968, 484 стр. , Монахов ядерной техники. Учебное пособие для вузов. М., Атомиздат, 1973, 336 с. , Мукасьян для синтеза материалов: введение в структурную макрокинетику. – М: ФИЗМАТЛИТ, 2013 – 400 с.