Экология/3. Радиационная безопасность и социально-

экологические проблемы

Преподаватель Фролова¹ М.А.

К.т.н. Пономаренко¹ П.А.

¹Севастопольский национальный университет ядерной энергии и промышленности

технология гидрирования оболочек ТВЭл из циркония и его сплавов

Известно, что под действием нейтронного излучения в цирконии и в его сплавах увеличиваются пределы прочности и текучести, но уменьшается предел пластичности. Снижение предела пластичности в силу распухания топливной композиции приводит к растрескиванию оболочек ТВЭЛов [1,2].

Проведенные исследования показали, что причиной растрескивания оболочек ТВЭЛ ВВЭР на тепловых нейтронах, изготовленных из циркония и его сплавов, было замедленное гидридное растрескивание этих оболочек, зависящее от содержания водорода в кристаллической решетке металла оболочек и концентрации напряжений в изделии, что снижает долговечность работы оболочек ТВЭЛов по их основному назначению.

Известен способ внедрения атомов водорода в кристаллическую решетку металлов и их сплавов заключающийся в том, что это внедрение водорода происходит за счет его химического выделения и поглощения в процессах коррозии, а так же за счет термодиффузии свободных атомов водорода на границе кристалл-вода [3].

Однако указанный способ особенно термодиффузионный происходит при температуре циркония выше 700⁰С. Таких температур в активной зоне реакторов типа ВВЭР нет, однако в процессе эксплуатации ТВЭЛов в ядерной энергетической установке их оболочки наводороживаются, причиной этого является ядерный источник гидрирования, который разработан, экспериментально подтвержден и патентуется в результате экспериментально-аналитических исследований образцов оболочек ТВЭЛ на исследовательском ядерном реакторе ИР-100.

Техническая задача изобретения заключается в разработке физических моделей процессов, происходящих в полях нейтронов деления в активной зоне реактора типа ВВЭР на тепловых нейтронах с диоксидом урана в качестве ядерного топлива, следствием которых является гидрирование оболочек ТВЭл из циркония и его сплавов.

По результатам проведенных на исследовательском реакторе ИР-100 экспериментальных исследований было установлено:

1. Гидрирование циркония и его изотопов в ядерном реакторе происходит в результате взаимодействия ядер металла с нейтронами высоких энергий [4].

Протон представляет собой ядро водорода, при рождении обладает определенной энергией и может создавать вакансии и дислокации в кристаллической решетке основного металла. Кроме того, ионизируя атомы циркония, он теряет свою энергию, останавливается и, присоединив к себе один из свободных электронов, превращается в атом водорода. То есть при толщине оболочки из циркония и его сплавов 0,65 мм [5], возникшие в результате ядерного взаимодействия протоны, в связи с их низкой проникающей способностью, остаются в оболочке ТВЭЛа и образуют в ней атомы водорода.

2. Гидрирование циркония со стороны топлива. Топливная композиция состоит из оксида урана. А природный кислород состоит из трех изотопов (- 99,76%; - 0,037%; - 0,204%) при взаимодействии ядер кислорода с нейтронами спектра деления (МэВ) в результате ядерных реакций образуются протоны.

Если образованные протоны возникают на границе топливо-оболочка и попадают в оболочку, они имеют проникающую способность от нескольких микрон до десятков микрон. В результате потери энергии в кристаллической решетке циркония или в защитной окисной пленке останавливаются и, присоединяя к себе по одному из свободных электронов, превращаются в атомы водорода.

3. Аналогичные реакции ядер изотопов кислорода наблюдаются и в воде, поэтому гидрирование оболочек идет не только со стороны топлива, но и со стороны теплоносителя.

4. Образование протонов в теплоносителе может происходить не только в результате ядерного взаимодействия изотопов кислорода с нейтронами высоких энергий, но и в результате упругого столкновения нейтронов с ядрами водорода. В этом случае образуются высокоэнергетические протоны отдачи. В соответствии со средним логарифмическим декрементом потери энергии при одном столкновении нейтрона с ядром водорода () [6] и с почти изотропным рассеянием нейтронов при этих столкновениях () [6] энергия генерируемых протонов отдачи составит от 11 до 0,06 МэВ.

Если это произошло на границе вода-цирконий, часть протонов с такой энергией не только за счет термодиффузии, но и за счет высокой их проникающей способности, связанной с высокой кинетической энергией проникают с границы вода-оболочка внутрь окисной пленки и даже в оболочку. Здесь, теряя энергию путем взаимодействия с ядрами металла оболочки, протоны останавливаются и, присоединяя один из множества свободных электронов металла, превращаются в атомы водорода внутри кристаллической решетки металла оболочки.

При столкновении нейтрона с ядром водорода происходит передача энергии от нейтрона ядру водорода в соответствии со средним логарифмическим декрементом потери энергии при одном акте рассеяния нейтронов в рассеивающей среде.

Величину линейного пробега в веществе протона с энергией можно определить из условия равенства массовых пробегов частиц с одинаковым зарядом и с разной массой [7].

Таким образом, максимальная длина проникновения протона образовавшегося на границе вода-металл при столкновении молекулы воды с нейтроном обладающим энергией в 10 МэВ составляет для циркония 94 микрон.

Представленный в описании качественный процесс технологии гидрирования оболочек ТВЭЛов ВВЭР на тепловых нейтронах, изготовленных из циркония и его сплавов, позволит разработать меры по устранению отдельных технологических процессов отрицательно влияющих на общую долговечность оболочек ТВЭЛов, изготовленных из циркония и его сплавов.

Источники информации:

1. Патент на полезную модель №64305 «Способ гидрирования оболочек ТВЭлов из циркония и его сплавов». Зарегистрированно в Государственном реестре патентов Украины на полезные модели 10.11.2011 г.

2. Чиркин В.С. Теплофизические свойства материалов ядерной техники. Справочник/ В.С. Чиркин. – М.: Атомиздат, 1968. – 484 с.

3. Влияние облучения на материалы и элементы электронных схем. Перевод с английского. Под ред. В.Н. Быкова и С.П. Соловьева. – М.: Атомиздат, 1967. – 427 с.

4. Некрасова Г.А. Цирконий в атомной промышленности, Выпуск 14. Опыт эксплуатации кабельных труб в реакторах CANDU: Обзор. – М.: ЦНИИатоминформ, 1985. – 36 с.

5. Справочные таблицы для нейтроноактивационного анализа. И.В. Меднис. Рига, Знание, 1974. – 412 с.

6. Эксплуатационные режимы водоводяных энергетических ядерных реаторов /Ф.Я. Овчинников, П. И Голубев, В.Д. Добрынин, В.И. Клочков, В.В. Семенов, В.М. Цыбенко/ М., Атомиздат, 1977, – 280 с.

7. Гордеев И.В. Ядерно физические константы. Справочник/ И.В. Гордеев, Д.А. Кардашев, А.В. Малышев. – М.: Госатомиздат, 1963. – 507 с.

8. Левин В.Е. Измерение ядерных излучений /В.Е. Левин, Л.П. Хамьянов/ М., Атомиздат, 1969, – 223 с.