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 БОРЬБЫ С гидрированиЕМ оболочек ТВЭл из циркония и его сплавов

Известно, что при делении ядерного топлива в реакторе, как правило, образуются два осколка деления с массовыми числами от 73 до 163 А.Е.М. [1] Все осколки деления радиоактивны. Допустить их выход в теплоноситель-замедлитель энергетических и исследовательских реакторов нельзя. Барьером для сохранения осколков деления в топливной композиции является оболочка ТВЭЛ, которую изготавливают из циркония и его сплавов.

Под действием нейтронного и гамма 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 [2,3].

Главной причиной падения предела пластичности является ядерное гидрирование оболочек из циркония и его сплавов. Пути ядерного гидрирования оболочек ТВЭЛов рассмотрены в патенте [4] и являются следующими:

1. Под действием нейтронов спектра деления в результате нейтронно-ядерной реакции на ядрах изотопов циркония образуются ядра водорода (внутреннее гидрирование циркония).

2. При взаимодействии нейтронов спектра деления с ядрами кислорода топливной композиции UO₂ образуются высокоэнергетические протоны, которые могут проникать со стороны топливной композиции в оболочку на несколько микрон, а так как протоны представляют собой ядро атома водорода, то происходит процесс гидрирования оболочки ТВЭЛа со стороны топлива (внутреннее гидрирование циркония).

3. При взаимодействии нейтронов спектра деления с ядрами кислорода молекул воды (замедлителя-теплоносителя) так же образуются высокоэнергетические протоны, которые могут проникать в оболочку ТВЭЛа изготовленную из циркония со стороны теплоносителя на глубину в несколько микрон (внешнее гидрирование циркония).

4. При взаимодействии нейтронов спектра деления с ядрами водорода образуются высокоэнергетические протоны отдачи, которые так же, проникая в оболочку из циркония со стороны теплоносителя на несколько десятков микрон, наводороживают ее (внешнее гидрирование циркония).

Гидрированный таким образом цирконий теряет пластичность, которая крайне необходима, так как в процессе работы реактора происходит распухание топлива из-за образования двух осколков деления и газообразных веществ в ней, что приводит к увеличению объема топливной композиции.

При растрескивании оболочки ТВЭЛа и потери ею пластичности, появляются продольные трещины, через которые газообразные продукты деления попадаю в теплоноситель-замедлитель и повышают его активность. [5] При достижении удельной активности теплоносителя 10^-2 Ки/л срабатывают системы безопасности, так как это непозволительно, согласно регламента и правил безопасной эксплуатации реакторных установок.

Увеличение срока службы оболочек ТВЭЛов до образования в них трещин может значительно повысить экономичность атомных электростанций через значительное увеличение сроков непрерывной работы ядерных установок, так как закладка в топливную композицию ядерного топлива без перехода барьера низкообогащенного топлива не представляет непреодолимых проблем.

Борьба с ядерным гидрированием циркониевых оболочек ТВЭЛ является первостепенной задачей, решение которой увеличивает экономичность АЭС.

Для снижения процесса гидрирования необходимо исключить проникновение высокоэнергетических протонов в оболочку ТВЭЛ со стороны ядерного топлива. Это может быть достигнуто путем замены топливной композиции из UO₂ на UС₂, при этом теплотехнические и ядерные характеристики дикарбида не уступают характеристикам диоксида урана. Посредством данной замены можно бороться с гидрированием циркониевых оболочек следующим образом:

1. Замена атомов кислорода на углерод в молекуле топлива исключает возникновение высокоэнергетических протонов при взаимодействии нейтронов спектра деления с ядерным топливом, а следовательно исключает гидрирование циркониевых оболочек со стороны топливной композиции [6].

2. Замедляющая способность UС₂ в два раза превосходит замедляющую способность UO₂. Следовательно, снижается плотность потока высокоэнергетических нейтронов спектра деления в самом топливе, а следовательно снижается генерация ядер водорода при взаимодействии указанных нейтронов с ядрами изотопов циркония в самой оболочке.

3. В замедлитель будут попадать нейтроны искаженного энергетического спектра (в сторону увеличения низкоэнергетических состояний), а, следовательно, снизится энергия протонов отдачи и уменьшится количество протонов образующихся при делении ядер кислорода молекулы воды. Таким образом, снизится количество протонов и их проникающая способность в оболочки ТВЭЛов со стороны теплоносителя-замедлителя.

4. Так же значительно снизить число протонов, проникающих со стороны замедлителя в оболочку ТВЭЛ, позволит покрытие наружной оболочки аморфным углеродом толщиной в несколько десятых мм.

Представленный в описании качественный процесс технологии борьбы с гидрированием оболочек ТВЭЛов на тепловых нейтронах, изготовленных из циркония и его сплавов, позволит не только снизить скорость разрушения оболочки ТВЭЛ посредством замены атома кислорода на атом углерода в молекуле ядерного топлива, покрытия самой оболочки аморфным углеродом, но и значительно повысить экономичность атомных электростанций через значительное увеличение сроков непрерывной работы ядерных установок.

Источники информации:

1. Мегреблианс Р., Теория реакторов/ Р. Мегреблианс, Д. Холмс – М., Государственное издательство литературы в области атомной техники и технологий, 1962 - 590 с.

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. 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.

5. Бродер Д.Л. Биологическая защита транспортних реакторних установок/ Д.Л. Бродер и др. – М., Атомиздат, 1969 -420 с.

6. Меднис И.В. Справочные таблицы для нейтронно-активационного анализа/ И.В.Меднис – Рига, издательство «Зинатне», 1974 – 410с.

7. Патент на полезную модель №17908 «Способ защиты от гидрирования оболочек ТВЭлов из циркония и его сплавов». Зарегистрированно в Государственном реестре патентов Украины на полезные модели 10.04.2013 г.