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
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.
