Использование модельного нитридного ядерного топлива для оценки термодинамических и теплофизических свойств перспективного топлива реакторов на быстрых нейтронах презентация

ПЕРСПЕКТИВНОГО ТОПЛИВА РЕАКТОРОВ НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ

цикл широко распространенного в природе нуклида 238U, возможность трансмутации младших актиноидов (Am, Np, Cm);
Требование: использование плотного топлива (ПТ – топливо, плотность которого выше UO2 , т.е. более 10 г/см3). Недостатки: UO2 или (U,Pu)O2. низкая плотность ~ 10 г/см3 и теплопроводность 2−4 Вт/м∙К;
Альтернатива UO2 – нитридное топливо UN или (U,Pu)N. Так называемое СНУП топлива.

λ(U0,8Pu0,2N) = 18 Вт/м∙К
Высокая температура плавления 2797 °С .
Хорошая совместимость с конструкционными материалами (н/ст до 1200 С).

Недостатки:
Сложная технология получения. Возможность окисления при хранении.;
Жесткие требования к содержанию кислорода и углерода, т.к. их содержание определяет степень взаимодействия с оболочкой;
Накопление изотопа 14С;
Трудность достижения высокой плотности (более 75 %);
Низкая термохимическая стабильности при высоких температурах.

Нитридное топливо согласно п. 3.2. проекта «Прорыв» должно использоваться для реакторов БРЕСТ

способ: карботермическое восстановление:
Лабораторный:
Наличие примесей кислорода и углерода, что приводит к взаимодействию с КМ. Решение: длительный отжиг при 1800 °С в атмосфере водорода.

Достижение высокой плотности (более 75 %). Решение: повышенные давления (~ 1100 МПа) прессования , помол (20−50 ч) для измельчения порошка UN до 100−500 нм. Повышение температуры спекания 1800-1900 °С. Спекание в различных газовых средах . Электромагнитные методы компактирования.

Воздействие высокой температуры ~1700 °С (спекание). Приводит к диссоциации UN, (U,Pu)N, AmN.

Решение: повышение парциального давления азота в твэл или легирование нитрида для повышения его термостабильности.

его физико-химических свойств, происходящих под облучением для обоснования работоспособности твэл, или верификации расчетных программ;
- изучение термической стабильности, в том числе и изменения ее под действием продуктов деления, а также рассмотрение путей ее повышения, например легирование тугоплавкими нитридами.
- изучение взаимодействия нитридного топлива с конструкционными материалами (коррозионно-стойкой сталью).
Основной объем данных можно получить только в ходе реакторного облучения и последующих исследованиях .
Предварительные результаты (фазовый состав, теплофизические свойства и т.п.) можно получить на основе материалов-суррогатов, в которых активные элементы (Pu, Am и т.д) заменены элементами-имитаторами. Способ применялся для исследования оксидного топлива (замена оксида плутония CeO). Невозможно достигнуть полного совпадения всех физико-химических свойств исследуемого материала и имитатора, однако применение такого подхода освобождает от необходимости работы с высокоактивными или токсичными материалами и позволяет получить правильные закономерности изменения свойств.

модельного нитридного топлива , содержащего имитаторы нитрида плутония и нитрид америция.

плутония и америция? Теория Г. Сиборга: в ряду лантаноидов и актиноидов идет заполнение электронами не наружной, а внутренней 5f оболочки, т.е. лантаноиды служат физико-химическими аналогами актиноидов.
Что же еще должно быть общего:
Тип и период кристаллической решетки;
Температура плавления, энергия образования нитрида, упругость насыщенного пара.

Для Pu - 0,4990 нм , AmN - 0,4906 нм. Ближайшие аналоги CeN - 0,5023 нм; DyN - 0,4905 нм.
Термодинамические характеристики: Tпл(PuN)= 2862 K; Tпл(CeN)= 2848 K; Tпл(AmN)= 3107 K; Tпл(DyN)= 2993 K;
Свободная энергия образования нитрида, кДж/моль: PuN= 277; CeN = 298; AmN= 293; DyN= 288.

нитридами лантаноидов

углерода и кислорода, нитрид церия и нитрид диспрозия
Смешение порошков , прессование в компакт и спекание в таблетку;
Исследование некоторых свойств полученных образцов.

Технология:

Получение мононитрида урана из гидрида урана по реакции (нитрид церия и диспрозия – реакция аналогичная):

урана (б)

Микроструктура таблетки UN-10 мас. %CeN (а), микроструктура спеченной таблетки UN-20 мас. %CeN (б)

Модельное нитридное топливо с имитатором нитрида плутония (нитрид церия) UN-10 мас. %CeN (в), микроструктура спеченной таблетки UN-20 мас. %CeN (г)

таблетки UN-10 мас. %DyN и карты распределения элементов. Белые выделения – оксидная фаза, окисление происходит даже в ходе кратковременного пребывания на воздухе во время переноски образцов из аргонового бокса в микроскоп.
За счет недостаточной гомогенизации большое количество нитрида диспрозия не растворилось в нитриде урана. Впоследствии нитрид диспрозия окислился.

т.е. близким аналогом будет материал, который вызывает возрастание параметра решетки нитрида урана близкое по значению к PuN. При небольших концентрациях нитрида плутония (до 20 мол. %), наиболее близким материалом аналогом может рассматриваться нитрид церия.
Все нитриды лантаноидов и актиноидов образуют между собой непрерывные ряды твердых растворов, что подтверждается общим правилом Юм-Розери.

аналогами актиноидов. Аналогами плутония являются церий и иттрий, а аналогами америция – диспрозий. Введение этих элементов в мононитрид урана позволяет получать модельное СНУП-топливо для изучения ряда его свойств;
Разработана методика получения модельного СНУП-топлива на основе нитридов лантаноидов и мононитрида урана. Методом гидрирования-дегидрирования-нитрования получены порошки нитрида урана, церия, иттрия и диспрозия, проведено их смешение, прессование и спекание, получены образцы модельного нитридного ядерного топлива с имитацией плутония и америция заданного состава;
По результатам структурных исследований показано, что все образцы представляют собой твердый раствор нитридов РЗЭ в нитриде урана.