Пористость и плотность нитридного топлива

Из данных по изменению плотности может быть вычислена скорость распухания в зависимости от выгорания топлива. Она составляет 0,8 и 0,6 % на процент выгорания для топливных стержней 89F-3-1 и 89F-3-2, соответственно. Эти значения почти соответствуют скорости распухания нитридного топлива за счет накопления твердых продуктов деления.

Характерной особенностью изученных в этих работах образцов топлива является преобладание закрытой пористости над открытой, несмотря на сравнительно низкую плотность топливных таблеток. Как правило, высокое значение открытой пористости приводит к большому выходу из топлива газообразных продуктов деления, так что отмеченный здесь малый выход газообразных продуктов деления является следствием низкой открытой пористости, а также относительно низкой температурой топлива.

Исследования показали также, что микроструктура смешанного нитридного топлива почти не меняется при облучении. Не было обнаружено миграции или увеличения пор, а средний размер зерен (U,Pu)N по таблетке был оценен в несколько микрон. Исследование зазора между топливом и оболочкой для обоих стержней не обнаружило никаких следов взаимодействия топлива с оболочкой. Более того, размер зерен и прочность оболочки не изменялись при облучении.

Рентгеновский анализ топлива показал, что картина дифракции не меняется после облучения, и вторая фаза обнаружена не была. Параметр решетки (U,Pu)N также не менялся при облучении, если не считать вклада за счет повреждений решетки за счет собственного излучения.

Результаты исследования методами микрогаммасканирования и бета-радиографии показывают, что распределение ПД соответствуют распределению потока тепловых нейтронов в топливных таблетках. Альфа-радиография показала, что трансплутониевые элементы накапливаются на краях топливных таблеток в соответствии с распределением потока тепловых нейтронов.

Исследовано влияние примесей на характеристики и поведение нитридных топлив. Методами химического, рентгеновского и керамографического анализа установлено, что примеси кислорода в нитридах приводят к образованию оксидов в топливе после спекания. Хотя примеси кислорода не влияют на спекаемость таблеток, было обнаружено некоторое уменьшение размера зерен с увеличением содержания кислорода в исходных материалах. Кроме того, примесь 1% мас. кислорода уменьшала теплопроводность UN и (U,Pu)N на 9-10 и 12-13 % при 1000 и 1500 К, соответственно.

Примеси кислорода в нитридном топливе могут играть положительную роль. Показано, что наличие отдельной оксидной фазы в смешанном нитридном топливе способствует химической совместимости топлива с оболочкой. В зависимости от способа изготовления и содержания примесей в топливе нитридное топливо может существовать в двух фазах: мононитридной в равновесии с сескинитридной фазой или мононитридной в равновесии с диоксидной фазой. Сравнение термодинамических свойств показывает, что нитридное топливо с диоксидом, как второй фазой, превосходит топливо с сескинитридом.

Проведены исследования по определению теплопроводности нитридных топлив. В температурном интервале от 10 до 1923 К и плотностях топлива от 93 до 100 % от теоретической теплопроводность топлива из нитрида урана описывается соотношением К=1,37Т^0,41. Это уравнение позволяет предсказать теплопроводность топлива в зависимости от температуры, Т, с точностью ±10 %.

Показано, что теплопроводности урана, нептуния и плутония растут с температурой, но уменьшаются с ростом атомного номера актиноида. Твердые растворы мононитридов имеют такую же температурную зависимость теплопроводности, что и их компоненты, а значение теплопроводности твердого раствора равно среднему значению теплопроводности компонентов.

Европейским институтом трансурановых элементов в Карлсруэ предложена компьютерная программа для анализа термических и механических свойств ТВЭЛов, TRANSURANUS. Программа обслуживает подробный банк данных по оксидному, карбидному и нитридному топливам, по оболочкам из циркалоя и сталей и по различным теплоносителям. Программа используется несколькими исследовательскими организациями и частной промышленностью. В настоящее время программа доступна всем заинтересованным лицам и организациям.

Несколько ранее с помощью компьютерной программы SIEX была выполнена концептуальная разработка и анализ усовершенствованного прототипного реактора с жидкометаллическим теплоносителем. Анализ литературных данных предсказывает, что нитридное топливо способно работать при пиковых температурах и уровнях напряжения оболочки, которые благоприятно отличают его от других топливных систем.

*) BARC – Bhabha atomic research centre – Атомный исследовательский центр Бхабха.

*) JAERI – Japan Atomic Energy Research Institute – Японский институт исследований по атомной энергии.

*) ИПШ – Институт Пауля Шеррера.