Энергетика. ТЭС и АЭС

Всё о тепловой и атомной энергетике

Взаимодействие циркониевых оболочек твэлов с топливом и продуктами деления

Выгорание топлива сопровождается образованием продуктов деления и его распуханием. Оба фактора оказывают отрицательное влияние на работоспособность твэлов. Воздействие продуктов деления на оболочку различно. Газообразные продукты деления (ГПД) — Kr и Xe — выделяясь из топлива, повышают внутритвэльное давление, и если не применять специальных мер, могут создавать растягивающие напряжения в оболочке. Следует, однако, заметить, что при базовом (стационарном) режиме работы реактора из топлива под оболочку выделяется относительно небольшое количество ГПД. Так, при глубине выгорания 56 МВт*сут/кг из топлива выделяется около 1-4 % ГПД. Выход ГПД зависит от удельных тепловых нагрузок топлива, поэтому при всплесках мощности выход ГПД может резко увеличиться.

Еще более отрицательное воздействие на оболочку оказывают иод, цезий и в меньшей степени кадмий, химически взаимодействует с циркониевой оболочкой. Иод и цезий мигрируют в направлении градиента температур и могут откладываться в холодных зонах оболочки твэла в виде соединений типа ураната или иодида цезия. Иодид цезия может разлагаться с выделением свободного иода, который «шляется наиболее агрессивным элементом, усиливающим коррозию циркониевой оболочки под напряжением.

Механизм воздействия иода на оболочку твэла изучался многими исследователями, однако пока нет единого мнения по вопросу, в какой форме существует иод в системе UO2-I-Cs-Zr при различных рабочих условиях. Термодинамические расчеты показывают, что иод в продуктах деления должен быть в основном связанным с цезием. Однако в твэлах обнаруживается более высокое содержание свободного иода, чем можно было ожидать, исходя из термодинамических соображений. Объясняется это тем, что в результате радиационного воздействия иодид цезия разлагается. При достижении некоего критического парциального давления иод вызывает коррозионное растрескивание под напряжением циркониевых оболочек. Для циркалоевых труб это критическое парциальное давление равно 4-40 Па в зависимости от среды. В чистой атмосфере, когда на внутренней поверхности оболочки отсутствует пассивирующая пленка, критическое значение парциального давления меньше, чем в атмосфере, в которой вследствие наличия примесей такая пленка образуется.

Иной характер имеет взаимодействие топлива с оболочкой (ВТО). Оно является следствием распухания топлива под облучением. Время, через которое топливо вступает в контакт с оболочкой, зависит от исходного зазора между топливом и оболочкой, от структуры топлива и от флюенса (выгорания топлива). При достижении контакта топливо начинает оказывать существенное механическое воздействие на оболочку, могущее в конечном итоге привести к ее разрушению. Особенно (опасно такое воздействие проявляется при резком повышении линейного энерговыделения твэлов после длительной их работы на постоянной мощности.

Коэффициент термического расширения (КТР) у диоксида урана примерно в 1,5 раза больше, чем у циркония. Это приводит к тому, что после достижения плотного контакта топлива с оболочкой при изменении мощности реактора и, следовательно, температуры твэла, в оболочке возникают значительные знакопеременные осевые напряжения. Такие напряжения могут возникать не только при наличии плотного контакта оболочки с топливом вследствие распухания последнего, но и за счет так называемого храповика, который может возникнуть при заклинивании таблеток вследствие их растрескивания или попадания крупных крошек между таблеткой и оболочкой. Вид разрушения оболочек в результате ВТО весьма характерен — появление осевых трещин на внутренней поверхности. Разрушение может быть хрупкое, межкристаллитное или транскристаллитное.

Помимо механического воздействия топлива, в результате которого в оболочке возникают окружные и осевые растягивающие напряжения, на оболочку одновременно воздействуют продукты деления. Совместное воздействие этих двух факторов и может привести к разрушению оболочки. Каждый фактор в отдельности не приводит к столь губительным последствиям. Разрушение в результате коррозии под напряжением протекает обычно в две стадии: зарождение трещины и ее развитие. Начало развития повреждения связывают с проникновением иода через оксидный слой к поверхности оболочки. Напряжение способствует развитию повреждения — разрушению защитной оксидной пленки на внутренней поверхности оболочки. На первой стадии образуются интеркристаллитные трещины, не представляющие большой опасности. На второй стадии происходит их быстрый рост, и важная роль принадлежит таким факторам, как напряжение, давление внутри твэла и скорость деформации. Деформация приводит к образованию острых надрезов по границам зерен; происходит расширение первоначальных интеркристаллитных трещин и образование транскристаллитных, чему способствует адсорбция иода поверхностью. Не исключается роль гидридов, присутствующих в материале оболочки и способствующих образованию зародышей трещин.

Поскольку процесс растрескивания материала при коррозии под напряжением протекает не мгновенно, а после некоторой выдержки под напряжением, разрушение оболочек твэлов при подъеме мощности определяется не только механическим взаимодействием топлива и оболочки, но и временем релаксации напряжений при стационарной работе твэлов.

Охрупчивание сплава Zr — 1 % Nb в атмосфере иода наблюдается в широком диапазоне температур, начиная от комнатной. При 350 °С влияние иода нивелируется преимущественным воздействием процесса деформационного старения, происходящего во всем объеме образца и приводящего к проявлению известного для сплава Zr — 1 % Nb интервала атермичности.

Склонность циркониевых оболочек к образованию трещин определяется в первую очередь их химическим составом, прочностью и качеством поверхности. Наибольшее сопротивление коррозионному растрескиванию имеют циркониевые оболочки в полностью рекристаллизованном состоянии. Критическое значение флюенса быстрых нейтронов, при котором оболочка из холоднодеформиро-ванного циркалоя-2 становится чувствительной к коррозионному растрескиванию, составляет около 1020 нейтр./см2, а из рекристаллизованного почти в 5-10 раз выше.

Большое влияние на коррозию под напряжением оказывает текстура оболочки. При этом наименее благоприятной является текстура с ориентировкой нормалей базисной плоскости под углом 50-70° к радиальному направлению. Текстура влияет и на зарождение трещин, и на их развитие. Образование трещин вдоль радиально ориентированных гидридов может стимулировать развитие коррозионного растрескивания (его первую стадию).

Растрескивание оболочек происходит вдоль кристаллографических плоскостей базиса. Пластическая деформация от дельных зерен существенно зависит от их кристаллографической ориентации. Последняя может изменяться от одного зерна к другому, поэтому пластическая деформация зерен может быть неоднородной. Зарождение трещин происходит преимущественно по границам зерен, где имеется наибольшее различие кристаллографической ориентации между соседними зернами.

Глубина выгорания топлива, при которой начинается коррозионное растрескивание оболочки при всплесках мощности, составляет 0,7-1,1 МВт*сут/кг. Особенно остра проблема ВТО для твэлов реакторов, работающих в маневренных режимах. С увеличением доли АЭС в выработке электроэнергии некоторые из них должны участвовать в режиме регулирования нагрузки электросети.

Одним из основных направлений уменьшения отрицательного воздействия ВТО является использование циркониевых оболочек с барьерным покрытием внутренней поверхности. Впервые барьерные слои из графитовой смазки (CANLUB) были применены в твэлах канадских реакторов CANDU, показавших повышенную надежность. Однако работоспособность таких твэлов оказалась недостаточно стабильной. Механизм положительного влияния графита на работоспособность твэлов до конца не выявлен. Предполагается, что графит не только смазывает контактирующие поверхности топливо-оболочка, но и адсорбирует и химически связывает продукты деления.

Фирма General Electric (США) предложила оболочки с внутренним покрытием из меди или чистого пластичного циркония. Лучшие результаты получены при использовании оболочек с покрытием из чистого циркония. Толщина внутреннего слоя составляет 50-100 мкм. Общая толщина оболочки остается без изменения. Такие оболочки уже нашли широкое применение в ряде стран. В частности, в США большая часть твэлов для кипящих реакторов изготавливается с такими оболочками, а в ближайшее время предполагается применять для этих твэлов только биметаллические оболочки. Для реакторов под давлением, в которых преждевременная разгерметизация твэлов составляет не более 0,01 %, применение биметаллических оболочек экономически нецелесообразно. В нашей стране биметаллические оболочки повышенной надежности предусматривается использовать в твэлах реакторов, предназначенных для работы в маневренных режимах. Предполагается также использование таких оболочек для твэлов реакторов РБМК.

Биметаллические оболочки могут быть получены разными способами: химическим, химико-технологическим и электрохимическим нанесением защитного покрытия на внутреннюю поверхность труб, а также с помощью металлургических процессов, в частности, совместной горячей обработкой давлением полой заготовки из циркониевого сплава со вставленной гильзой из чистого циркония.

К биметаллическим оболочкам предъявляются два основных дополнительных требования: равномерность толщины внутреннего слоя и хорошая его адгезия с основным материалом оболочки.

Вторым эффективным путем уменьшения воздействия топлива на оболочку является применение топлива с повышенной пластичностью при температуре его эксплуатации.

Читайте также:

Updated: 18.08.2015 — 16:09
Энергетика. ТЭС и АЭС © 2012 Использование материалов с сайта разрешается при наличии на него активной ссылки без тегов nofollow и noindex.