Выход осколочных газов из UO2 топлива при выгорании до 45 ГВтсут/т в условиях, моделирующих реактивностную аварию, страница 2

Эволюция процесса облучения сегмента то­пливного стержня, его осевая ориентация при импульсном облучении и конструкция сборки с образцом FK.-1 представлены на рис. 1, где при­ведены также результаты сканирования типич­ного профиля уизлучения, характеризующего выгорание топлива по сечению стержня при его облучении.

Верхняя концевая часть тестового стержня содержит электромагнитный датчик контроля удлинения стека топливных таблеток. В нижней


части установлен датчик контроля внутреннего давления газа в топливном стержне. Стержень содержит 10 топливных таблеток, полная длина стека с таблетками составляет -106 мм.

На обоих концах стека размещены диски из гафния (Hf), компенсирующие всплески мощно­сти энерговыделения в процессе импульсного облучения образца. Испытываемый стержень заполняли гелием при давлении 0,3 МПа, кото­рое соответствовало начальному давлению газа в пятом сегменте и было несколько ниже, чем в конце цикла (end-of-life — EOL), когда оно со­ставило 0,42 МПа.

Расчет выгорания топлива проводили по ко­ду SWAT [5], с использованием спектров ней­тронов, определенных с помощью кода SRAC [6]. Среднее значение локальной пористости то­пливных сегментов принималось равным 60% (образец FK-1). Максимальное линейное энерго­выделение в области пятого сегмента составляло ~230 Вт/см при флюенсе быстрых нейтронов 8,4-1021 нейтронсм4. Среднее значение выгора­ния топлива в пятом сегменте достигало 45 ГВтсут/т. На рис. 2 представлен расчетный профиль радиального выгорания, а также рост энерговыделения по радиусу образца в ходе его импульсного облучения в реакторе NSRR. Уменьшение концентрации урана, количество образующегося Ри, коэффициенты, связываю­щие энерговыделение в стержне с мощностью реактора NSRR, а также распределение энерго­выделения оценивали с помощью нейтронно-физического расчета активной зоны (A3) реак­тора NSRR с использованием кода SRAC.

Изотопный состав U и Ри в образцах после экспериментов оценивали раздельно путем масс-спектрометрии раствора, содержащего топ­ливо. Значение коэффициентов связи проверяли с помощью измерений короткоживущего продукта деления 140Ва после его химического выделения из раствора, содержащего под­вергнутое импульсному облу­чению топливо.

Методика импульсного облучения образца

Опытный топливный стер­жень FK-1 оснащен термопа­рами, а также датчиками удли­нения и контроля давления ос­колочных газов (рис. 3).


16


АТОМНАЯ ТЕХНИКА ЗА РУБЕЖОМ, 2006, № 3



Рис. 4. Рост энерговыделения в стержне FK-1 при им­пульсном облучении



Рис. 2. Профили радиального выгорания и энерговыде­ления в топливном стержне FK-1 (расчет по коду SRAC)


Перед началом эксперимента топливный стержень помещали в капсулу, заполненную во­дой при атмосферном давлении и комнатной температуре. После этого капсулу с образцом подвергали импульсному облучению в экспери­ментальном канале, расположенном в центре A3 реактора NSRR [7]. Ход нарастания мощности в процессе эксперимента представлен на рис. 4. При импульсном облучении образца за короткое время выделяется тепловая энергия, равная 544 Дж/г, при этом полная ширина половины максимального значения импульса составляет -4,5 мс.


Исследование образцов после облучения

После импульсного облучения провели ряд сравнительных исследований облученных стержней методами оптической и сканирующей электронной микроскопии (SEM). Продукты деления (ПД), Хе и Nd, удержанные в топливе, анализировали с помощью метода электронного микроанализа образцов (ЕРМА), диаметр скани­рующего пучка электронов составлял 1 мкм.

Относительные концентрации ПД опреде­ляли с помощью выделения соответствующих областей характеристического рентгеновского излучения, что позволило исключить влияние на результаты измерений пор и трещин на поверх­ности образцов. Выделение осколочных газов в образцах после штатного и импульсного облу­чения топлива оценивали методом отбора проб с помощью шприцев с тонкими иглами.

Результаты экспериментов

Изменение микроструктуры топливной таблетки после импульсного облучения топлива

На рис. 5 представлены сравнительные фо­тографии микроструктуры таблеток топлива, полученные до и после импульсного облучения. В таблетках, подвергнутых облучению, наблю­дались многочисленные радиальные трещины в периферийной зоне, свидетельствующие о зна­чительном механическом взаимодействии на границе таблетка — оболочка топлива (PCMI), которое возникало в процессе облучения. Изме­нение микроструктуры может быть связано с различием температур таблеток в условиях штатного и импульсного облучения. Поскольку температура в центре таблеток, оцененная с уче­том снижения теплопроводности топлива [8, 9], в    условиях    штатного    облучения   достигала