Выход осколочных газов из UO2 топлива при выгорании до 45 ГВтсут/т в условиях, моделирующих реактивностную аварию

В связи с требованиями экономичности экс­плуатации и уменьшения объемов отработавше­го топлива во многих странах мира исследуют пути увеличения выгорания топлива в реакторах типа PWR. Изучение процессов разрушения обо­лочек топлива в условиях, моделирующих реактивностную аварию (Reactivity Initiated Ac­cident — RIA), в экспериментах на реакторе NSRR (Nuclear Safety Research Reactor, Япония) [1], а также в рамках программы CABRI (Фран­ция) [2] выявило серьезные проблемы, связан­ные с высоким выгоранием ядерного топлива в случае RIA.

Было установлено, что одним из важнейших факторов, влияющих на поведение топливных таблеток в процессе облучения, является выход осколочных газов из топлива. Их влияние осо­бенно усиливается при высоком выгорании топ­лива, поскольку осколочные газы приводят к росту внутреннего давления в топливном стерж­не.

Хорошо известно, что радиальный профиль концентрации осколочных газов в топливной таблетке соответствует распределению темпера­туры в таблетке в процессе облучения топлива. Согласно экспериментальным данным, осколоч­ные газы выделяются в основном из зоны топ­лива с температурой 1200 °С. Кроме того, опре­делено, что при высоком выгорании во внешней области топливной таблетки образуется струк­тура, называемая краевой зоной (rim), содержа­щая пузырьки осколочного газа под высоким давлением, что может вызывать процесс фраг­ментации топливных таблеток. Вследствие этого в условиях аварии типа RIA выделение оско­лочного газа под высоким давлением и фраг-ментирование топливных таблеток могут при­вести к серьезному разрушению оболочки топ­лива.

Процесс выхода осколочных газов в услови­ях штатного облучения топлива хорошо изучен, но в условиях аварии RIA это явление исследо­вано мало.

В работе [3] приведены результаты сравни­тельных оценок выхода осколочных газов при выгорании топлива в реакторах BWR в услови­ях, моделирующих аварию типа RIA, и при об­лучении этого топлива в штатных условиях. Процесс выхода осколочных газов (от Хе до Кг) был рассмотрен в зависимости от отношения Хе к Кг, которое определяется изменением концен­трации Ри по радиусу топливной таблетки, тем не менее радиальное распределение выхода ос­колочных газов исследовано недостаточно де­тально.

В настоящей работе сообщается о результа­тах исследований, проведенных с помощью ме­тода электронной микроскопии (electron probe microanalisis — ЕРМА), образцов, полученных из таблеток топлива, облученного в условиях, моделирующих аварию типа RIA.

Методика исследований образцов Тестовый топливный стержень

Тестовые топливные стержни изготавливали из сегментов стержня, облученного в условиях блока № 3 АЭС Fukushima-Daiichi компании ТЕРСО. Процесс облучения проводили в ходе пяти циклов, с 1984 по 1990 г., при этом исполь­зовали ТВС типа Step I [4]. Оболочка топливно­го стержня была выполнена из рекристаллизо-ванного сплава Zircaloy-2 с защитным барьером из Zr. Технические характеристики топлива и условия испытаний до и в течение импульсного эксперимента приведены в таблице.

Стержень, испытываемый в импульсном эксперименте (обозначение FK-1), изготавлива­ли из пятого сегмента, расположенного в ниж­ней части ТВС, содержащей семь сегментов.

Характеристики топлива, условия и результаты испытаний