В результате радиационного воздействия не только существенно изменяются механические свойства оболочек, но заметно изменяется и геометрия твэлов. Это происходит вследствие радиационных ползучести и роста — важнейших факторов, ограничивающих работоспособность твэлов в . Эти факторы проявляются тем в большей степени, чем выше выгорание топлива, т.е. чем больший флюенс.
Изменение размеров и формы оболочек твэлов сводятся к уменьшению их диаметра (смятие), увеличению овальности, удлинению, а также изгибу. Деформация твэлов (оболочек) в реакторе складывается по крайней мере из трех независимых процессов, протекающих одновременно:
1) снятие напряжений в изделии в результате процесса возврата, происходящего в материале при термическом и радиационном отжигах;
2) радиационный рост -деформация при отсутствии напряжений, определяемая степенью радиационных повреждений материала;
3) ползучесть — деформация при постоянном воздействии внешних напряжений, включающая термическую ползучесть, не зависящую от облучения, и радиационную ползучесть при воздействии нейтронов.
Смятие оболочек в основном характерно для реакторов водо-водяного типа и зависит от избыточного давления теплоносителя, отношения толщины оболочки к ее диаметру, начальной локальной овальности оболочки, ее эксцентриситета и величины зазора между топливом и оболочкой. При повышенных овальности и эксцентриситете и пониженных прочности и сопротивлении ползучести оболочек время до начала их смятия значительно уменьшается.
Радиационный рост проявляется в изменении формы оболочек в осевом и диаметральном направлениях и связан со структурными повреждениями материала при нейтронном облучении. Радиационный рост зависит от флюенса нейтронов, длительности облучения, температуры и исходного состояния циркониевого сплава.
На радиационный рост оболочки сильно влияют состав и состояние материала, из которого она изготовлена, текстура. Направление радиационного роста изделий из циркониевых сплавов можно регулировать степенью деформации труб в осевом и радиальном направлениях. Радиационный рост, как и ползучесть, зависит от плотности нейтронного потока, а также от спектра энергии нейтронов, изменение которого может служить основной причиной различий в значениях радиационного роста циркониевых сплавов в различных реакторах.
Изучение радиационного роста монокристаллов циркония при 353 и 553 К подтвердило, что при этом происходит увеличение их размеров, а также показало насыщение радиационного роста при флюенсе нейтронов примерно 5*1024 нейтр./м2.
Следствием радиационного роста и ползучести оболочек является увеличение длины твэлов и их изгиб.
Для отожженных циркониевых сплавов зависимость кинетики роста от температуры в интервале от 77 до 560 К незначительна. Однако оценка влияния температуры на радиационный рост весьма затруднена его зависимостью от дозы облучения, поэтому однозначного заключения об этой зависимости пока нет.
Зависимость радиационного роста от состава сплавов и их состояния изучена крайне недостаточно. Значительное влияние на радиационный рост оказывают остаточные напряжения. Они могут быть уменьшены с помощью специальных способов, однако полностью их исключить практически не удается.
Важная роль принадлежит процессу возврата радиационного роста, проявляющемуся в восстановлении длины образцов при термическом отжиге после облучения. Возврат может достичь 100 % в рекристаллизованном материале. В холоднодеформированном материале степень возврата зависит от величины деформации.
Изгиб отдельных твэлов является результатом действия различных факторов: релаксации внутренних напряжений, различиями величин радиационного роста, зависящими от неоднородности материала или от гредиента флюенса нейтронов, взаимодействия с дистанционирующими решетками. Особенно подвержены изгибу нагартованные трубы. Увеличение длины за счет роста и ползучести, механического взаимодействия топлива с оболочкой по «механизму храповика», а также изгиб твэлов могут быть причиной преждевременного выхода из строя твэлов.
Изучение факторов, влияющих на деформационные изменения оболочек, показали, что во внереакторных условиях деформация ползучести на неустановившейся стадии составляет большую часть замеренной деформации, и скорость ползучести на установившейся стадии довольно низка. Однако под облучением скорость установившейся ползучести значительно возрастает .
Как и для других сплавов, скорость ползучести циркониевых сплавов зависит от температуры. Область ускоренной ползучести начинается при температуре свыше 530 °С. Поэтому рабочие температуры эксплуатации циркониевых сплавов не должны превышать 530 °С.
Влияние напряжений на ползучесть циркониевых сплавов также весьма значительно. Особенно заметно это влияние при температуре 300-400 °С, что близко к средней температуре оболочек твэлов реакторов типа ВВЭР (PWR) и РБМК (BWR).
Влияние нейтронного потока на скорость ползучести наиболее заметно при этой же температуре. При более высокой температуре происходит отжиг радиационных дефектов и вследствие этого — замедление скорости ползучести.
Заметная зависимость скорости ползучести от флюенса нейтронов отмечена лишь при высоких напряжениях. При этом влияние нейтронного потока на разные сплавы не одинаково.
Зависимость изменения размеров твэлов с циркониевой оболочкой от глубины выгорания изучена недостаточно. Имеющиеся данные относятся в основном к уже достигнутым относительно невысоким выгораниям топлива. Этот вопрос требует проведения дальнейших серьезных исследований, ибо радиационный рост и ползучесть оболочек твэлов могут создать заметные трудности на пути достижения более высоких выгораний.
Узнать подробнее о ремонте и обслуживании компрессоров Atlas Copco можно перейдя по ссылке.