О ядерном гидрировании оболочек твэлов из циркония и его сплавов в реакторе типа ВВЭР-1000
Рассмотрены физические модели процессов ядерного гидрирования оболочек тепловыделяющих элементов из циркония и его сплавов, происходящих в нейтронных полях активной зоны реактора типа ВВЭР с диоксидом урана в качестве ядерного топлива, следствием которых является потеря пластичности материала обо...
Saved in:
| Published in: | Ядерна та радіаційна безпека |
|---|---|
| Date: | 2013 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Державне підприємство "Державний науково-технічний центр з ядерної та радіаційної безпеки" Держатомрегулювання України та НАН України
2013
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/97459 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | О ядерном гидрировании оболочек твэлов из циркония и его сплавов в реакторе типа ВВЭР-1000 / П.А. Пономаренко, Е.П. Таборовская, В.А. Тяпкина, М.А. Фролова // Ядерна та радіаційна безпека. — 2013. — № 2. — С. 36-38. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859675603035226112 |
|---|---|
| author | Пономаренко, П.А. Таборовская, Е.П. Тяпкина, В.А. Фролова, М.А. |
| author_facet | Пономаренко, П.А. Таборовская, Е.П. Тяпкина, В.А. Фролова, М.А. |
| citation_txt | О ядерном гидрировании оболочек твэлов из циркония и его сплавов в реакторе типа ВВЭР-1000 / П.А. Пономаренко, Е.П. Таборовская, В.А. Тяпкина, М.А. Фролова // Ядерна та радіаційна безпека. — 2013. — № 2. — С. 36-38. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Ядерна та радіаційна безпека |
| description | Рассмотрены физические модели процессов ядерного гидрирования оболочек
тепловыделяющих элементов из циркония и его сплавов, происходящих в нейтронных
полях активной зоны реактора типа ВВЭР с диоксидом урана в качестве ядерного
топлива, следствием которых является потеря пластичности материала оболочки и
появление трещин в ней в процессе работы.
Розглянуто фізичні моделі процесів ядерного гідрування оболонок тепловиділяючих
елементів з цирконію і його сплавів, що відбуваються в нейтронних полях активної зони
реактора типу ВВЕР з діоксидом урану як ядерне паливо, наслідком яких є втрата
пластичності матеріалу оболонки і поява тріщин в ній в процесі роботи.
The paper considers physical models of nuclear hydrogenation of fuel claddings made of
zirconium and its alloys that occurs in neutron fields of the WWER cores with uranium dioxide
fuel. This causes the cladding material to lose its plasticity and leads to cracks during operation.
|
| first_indexed | 2025-11-30T15:59:26Z |
| format | Article |
| fulltext |
36 ISSN 2073-6237. Ядерна та радіаційна безпека 2(58).2013
О
болочка тепловыделяющего элемента (твэ-
ла) служит главным сдерживающим барьером
на пути возможного распространения ядерного
топлива и высокоактивных продуктов его деле-
ния в теплоноситель-замедлитель (воду первого
контура), а следовательно, в окружающую среду в условиях
нормальной эксплуатации и аварийной обстановки. Этим
и объясняется актуальность вопросов обеспечения надеж-
ности и долговечности оболочек твэлов, а значит, безопас-
ности реакторных установок (как в процессе эксплуатации
уже созданных, так и в процессе разработки новых) в со-
временной стратегии развития атомной энергетики.
Активная зона реактора типа ВВЭР-1000 состоит из на-
бора шестигранных ячеек, состоящих из твэла и относя-
щегося к нему замедлителя-теплоносителя (Н2О). Твэл
представляет собой цилиндрический стержень, состоящий
из герметичной циркониевой оболочки толщиной 0,65 мм
и топливной композиции внутри этой оболочки — дву-
окиси урана в виде керамики. Тепловые нейтроны образу-
ются в замедлителе ячейки, создавая поле тепловых ней-
тронов высокой плотности. Под действием закона
диффузии, движущей силой которой является различие
плотностей нейтронов в различных точках ячейки, обра-
зуется поток этих тепловых нейтронов из замедлителя че-
рез оболочку твэла в топливную композицию. В ней теп-
ловые нейтроны поглощаются в основном ядрами урана
( )235
92 U и делят их, генерируя нейтроны деления с энергией
в диапазоне 0,1—18 МэВ, высокоактивные осколки деле-
ния — источники запаздывающего гамма-излучения,
а также мгновенные гамма-лучи высокой энергии.
Нейтроны деления в топливной композиции создают поле
нейтронов деления высокой плотности. В результате диф-
фузии нейтронов деления образуется их поток из топлив-
ной композиции через оболочку в замедлитель. В замедли-
теле вследствие упругих столкновений в основном с ядрами
водорода нейтроны деления замедляются, создавая в за-
медлителе высокоплотностное поле тепловых нейтронов,
которые через оболочку твэла направляются в топливную
композицию, и т. д.
Под действием нейтронного поля, состоящего из ней-
тронов в основном тепловых энергий и нейтронов деления,
а также поля высокоэнергетических мгновенных и запаз-
дывающих гамма-квантов продуктов деления изменяются
прочностные характеристики оболочки из циркония и его
сплавов: предел прочности и предел текучести увеличи-
ваются, а предел пластичности снижается. Последнее ве-
дет к охрупчиванию оболочки и появлению в ней трещин.
Появлению трещин способствует и увеличение объема
топливной композиции: объем атома урана до деления
меньше объема двух атомов продуктов деления [1, 2].
Причиной потери пластичности считается появление
водорода в кристаллической решетке циркония и его спла-
вов. Это было подтверждено и опытами, проведенными
на исследовательском реакторе ИР-100.
Известны два способа гидрирования циркония при его
контакте с водой и образования в ней свободного водорода:
1) внедрение водорода в кристаллическую решетку цир-
кония за счет его химического выделения и поглощения
в электрохимических процессах коррозии;
2) внедрение в кристаллическую решетку оболочки сво-
бодных атомов водорода на границе вода—оболочка за счет
термодиффузии [3].
Второй способ способствует усиленному процессу
гидри рования при температуре циркония 700 °С и выше,
однако в ядерном реакторе типа ВВЭР-1000 температура
оболочек не превышает 400 °С.
УДК.539.173.84
П. А. Пономаренко1, Е. П. Таборовская2,
В. А. Тяпкина1, М. А. Фролова1
1Севастопольский университет ядерной энергии
и промышленности, г. Севастополь, Украина
2Украинская кредитная компания, г. Киев, Украина
О ядерном гидрировании
оболочек твэлов
из циркония и его сплавов
в реакторе типа ВВЭР-1000
Рассмотрены физические модели процессов ядерного гидрирова-
ния оболочек тепловыделяющих элементов из циркония и его сплавов,
происходящих в нейтронных полях активной зоны реактора типа ВВЭР
с диоксидом урана в качестве ядерного топлива, следствием которых
является потеря пластичности материала оболочки и появление тре-
щин в ней в процессе работы.
К л ю ч е в ы е с л о в а: оболочка твэла, цирконий и его сплавы,
ядерное гидрирование оболочек твэлов, нейтронное поле.
П. А. Пономаренко, Е. П. Таборовська, В. О. Тяпкiна,
М. О. Фролова
Про ядерне гідрування оболонок твелів з цирконію
та його сплавів у реакторі типу ВВЕР-1000
Розглянуто фізичні моделі процесів ядерного гідрування оболонок
тепловидільних елементів з цирконію та його сплавів, що відбуваються
в нейтронних полях активної зони реактора типу ВВЕР з діоксидом ура-
ну як ядерним паливом, наслідком яких є втрата пластичності матеріалу
оболонки і поява тріщин у ній під час роботи.
К л ю ч о в і с л о в а: оболонка твела, цирконій та його сплави, ядер-
не гідрування оболонок твелів, нейтронне поле.
© П. А. Пономаренко, Е. П. Таборовская, В. А. Тяпкина, М. А. Фролова,
2013
ISSN 2073-6237. Ядерна та радіаційна безпека 2(58).2013 37
О ядерном гидрировании оболочек твэлов из циркония и его сплавов в реакторе типа ВВЭР‑1000
Авторы считают, что основными процессами гидриро-
вания циркониевых оболочек твэлов в ВВЭР-1000 являются
ядерные процессы. Поэтому в данной статье и рассматрива-
ются физические модели ядерного гидрирования циркония
в условиях активной зоны реактора типа ВВЭР-1000, т. е.
водо-водяного реактора на тепловых нейтронах при исполь-
зовании в качестве ядерного топлива двуокиси урана.
Задача создания физической модели ядерного гидри-
рования решалась с помощью проведения множества экс-
периментов по облучению циркония и его сплавов в ней-
тронных полях различного качества на исследовательском
реакторе ИР-100 Севастопольского национального уни-
верситета ядерной энергии и промышленности. В резуль-
тате проведенных экспериментов установлено [4]:
1. Процесс внутреннего гидрирования циркония и его
сплавов происходит в результате взаимодействия изотоп-
ного состава природного циркония с нейтронами спектра
деления 0,1—18 МэВ по следующим нейтронно-ядерным
реакциям [5]:
( )
( )
0,5 0,5
5090 90
40 14,7 39
202 4801
1
3,18 64,26
мбарн m
n, p
кэВ 90 90
39 40
T T
Zr n Y
p Y Zr;γ
σ=
γ Ε = ÷ β
= =
+ → +
+ → →
( )
( ) ( )
0,5 0,5
5091 91
40 14,4 39
556 , 12081
1
49,7 59
мбарн m
n, p
кэВ кэВ91 90
39 40
T T
Zr n Y
p Y Zr;
−
γ γ
σ=
γ Ε = β γ Ε =
= =
+ → +
+ → →
( )
( )
0,5
2292 92
40 14,7 14,8 39
, 9351
1
3,53
мбарн
n, p
кэВ 92
40
T
Zr n Y
p Zr;
−
γ
σ=
÷
β γ Ε =
=
+ → +
+ →
( )
( )
0,5
1094 94
40 14,5 39
, 3530 9201
1
20,35
мбарн
n, p
кэВ 94
40
T
Zr n Y
p Zr;
−
γ
σ=
β γ Ε = ÷
=
+ → +
+ →
( )
6
0,5 0,5
0,894 93
40 14,1 39
,1
1
10,35 1,510
мбарн
n,D
93 93
40 41
T T
Zr n Y
p Zr Nd;
−
σ=
β γ
= = ⋅
+ → +
+ → →
( )
0,5
596 96
40 14,8 39
,1
1
2,3
мбарн
n, p
96
40
T
Zr n Y
p Zr.
−
σ=
β γ
=
+ → +
+ →
Получаемый в этих реакциях протон представляет со-
бой ядро водорода, при рождении обладает определенной
энергией и может создавать вакансии и дислокации в кри-
сталлической решетке основного металла. Кроме того, ио-
низируя атомы циркония, он теряет свою энергию, в ко-
нечном итоге останавливается и, присоединив к себе один
из свободных электронов, превращается в атом водорода
внутри кристаллической решетки циркония. Таким обра-
зом, при толщине оболочки из циркония и его сплавов
d ≥ 0,65 мм [6] возникшие в результате ядерного взаимо-
действия протоны, в связи с их низкой проникающей спо-
собностью, остаются в оболочке твэла и образуют в ней
атомы водорода.
2. Кроме внутреннего ядерного гидрирования оболо-
чек существует и внешнее гидрирование как со стороны
топлива, так и со стороны теплоносителя. Это происходит
по следующим физическим моделям:
2.1. Гидрирование циркония со стороны ядерного топ-
лива. Топливная композиция состоит из оксида урана,
а природный кислород — из трех изотопов (16О — 99,76 %;
17О — 0,037 %; 18О — 0,204 %). При взаимодействии ядер
кисло рода с нейтронами спектра деления (nсд), начальная
энер гия которых составляет 0 0,1 18nΕ = ÷ МэВ, в результате
ядерных реакций образуются протоны или ядра дейтерия:
Эти протоны и дейтроны обладают значительной энер-
гией, а следовательно, имеют проникающую способность
от нескольких микрометров до десятков микрометров.
Образующиеся на границе топливо—оболочка протоны
и дейтроны, при изотропном испускании их в резуль-
тате ядерной реакции, могут оказаться в кристаллической
решетке циркония или его защитной окисной пленке.
В результате потери энергии в кристаллической решетке
циркония или в защитной окисной пленке частицы оста-
навливаются и протоны, присоединяя к себе по одному
из свободных электронов, превращаются в атомы водорода.
По этой модели происходит внешнее поверхностное
гидрирование циркония со стороны ядерного топлива.
2.2. Аналогичные реакции ядер изотопов кислорода
с нейтронами спектра деления наблюдаются и в теплоно-
сителе-замедлителе (в воде), поэтому гидрирование оболо-
чек идет не только со стороны топлива, но и со стороны
теплоносителя.
2.3. Образование протонов в теплоносителе может проис-
ходить не только в результате ядерного взаимодействия изо-
топов кислорода с нейтронами высоких энергий, но и в ре-
зультате упругого столкновения нейтронов с ядрами
водо рода. В этом случае образуются высокоэнергетические
про тоны отдачи, энергия которых описывается формулой
( )0 1р
−ξΕ ≈ Ε −n e ,
где 0nΕ — начальная энергия нейтрона до столкновения
(для нейтронов спектра деления 0 0,1 18nΕ = ÷ МэВ); ξ —
сред ний логарифмический декремент потери энергии ней-
троном при одном столкновении в рассеивающей среде.
В соответствии со средним логарифмическим декремен-
том потери энергии при одном столкновении нейтрона
с ядром водорода ( 0,948ξ = ) [7] и с почти изотропным рас-
ч
мин
мин
мин
дн
ч
ч
ч лет
38 ISSN 2073-6237. Ядерна та радіаційна безпека 2(58).2013
П. А. Пономаренко, Е. П. Таборовская, В. А. Тяпкина, М. А. Фролова
сеянием нейтронов при этих столкновениях (cos 0,324)ϕ =
[7] энергия генерируемых протонов отдачи составит от 11 до
0,06 МэВ.
Если такое столкновение произошло на границе вода—
цирконий, часть протонов отдачи не только за счет тер-
модиффузии, но и за счет высокой их проникающей спо-
собности, связанной с высокой кинетической энергией,
проникает с границы вода—оболочка внутрь окисной
пленки и даже в оболочку. Здесь, теряя энергию при взаи-
модействии с ядрами металла оболочки, протоны оста-
навливаются и, присоединив один из множества свобод-
ных электронов металла, превращаются в атомы водорода
внутри кристаллической решетки металла оболочки.
Выводы
В статье рассмотрены четыре физические модели ядер-
ного гидрирования циркониевых оболочек твэлов ядерного
реактора типа ВВЭР-1000 на тепловых нейтронах. Ядерное
гидрирование происходит при любых температурах, но обя-
зательно в поле нейтронов с энергией 0 0,1 18nΕ = ÷ МэВ.
Представленный качественный процесс технологии гид-
рирования оболочек твэлов ВВЭР на тепловых нейтронах,
изготовленных из циркония и его сплавов, позволит раз-
работать меры по устранению отдельных технологических
процессов, отрицательно влияющих на общую долговеч-
ность оболочек твэлов, изготовленных из циркония и его
сплавов.
Список использованной литературы
1. Чиркин В. С. Теплофизические свойства материалов ядерной
техники. Справочник/ В. С. Чиркин. — М.: Атомиздат, 1968. —
484 с.
2. Влияние облучения на материалы и элементы электронных
схем: Перевод с англ. / Под ред. В. Н. Быкова и С. П. Соловье-
ва. — М.: Атомиздат, 1967. — 427 с.
3. Некрасова Г. А. Цирконий в атомной промышленности //
Опыт эксплуатации кабельных труб в реакторах CANDU: Об-
зор. — Вып. 14. — М.: ЦНИИатоминформ, 1985. — 36 с.
4. Пат. 64305 Украина, МПК(2011.01), G01T1/00 / П. А. По-
номаренко, Е. П. Таборовская, В. А. Тяпкина, М. А. Фролова —
№ u 201102387; заявл. 28.02.2011; опубл. 10.11.2011, Бюл. № 21. — 4 с.
5. Справочные таблицы для нейтроноактивационного анали-
за / И. В. Меднис. — Рига: Знание, 1974. — 412 с.
6. Эксплуатационные режимы водоводяных энергетических
ядерных реаторов / Ф. Я. Овчинников, П. И. Голубев,
В. Д. Добрынин, В. И. Клочков, В. В. Семенов, В. М. Цыбенко. —
М.: Атомиздат, 1977. — 280 с.
7. Гордеев И. В. Ядерно-физические константы. Справочник /
И. В. Гордеев, Д. А. Кардашев, А. В. Малышев. — М.: Госатомиз-
дат, 1963. — 507 с.
Получено 13.12.2012.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-97459 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 2073-6231 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-30T15:59:26Z |
| publishDate | 2013 |
| publisher | Державне підприємство "Державний науково-технічний центр з ядерної та радіаційної безпеки" Держатомрегулювання України та НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Пономаренко, П.А. Таборовская, Е.П. Тяпкина, В.А. Фролова, М.А. 2016-03-28T17:38:34Z 2016-03-28T17:38:34Z 2013 О ядерном гидрировании оболочек твэлов из циркония и его сплавов в реакторе типа ВВЭР-1000 / П.А. Пономаренко, Е.П. Таборовская, В.А. Тяпкина, М.А. Фролова // Ядерна та радіаційна безпека. — 2013. — № 2. — С. 36-38. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 2073-6231 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/97459 539.173.84 Рассмотрены физические модели процессов ядерного гидрирования оболочек тепловыделяющих элементов из циркония и его сплавов, происходящих в нейтронных полях активной зоны реактора типа ВВЭР с диоксидом урана в качестве ядерного топлива, следствием которых является потеря пластичности материала оболочки и появление трещин в ней в процессе работы. Розглянуто фізичні моделі процесів ядерного гідрування оболонок тепловиділяючих елементів з цирконію і його сплавів, що відбуваються в нейтронних полях активної зони реактора типу ВВЕР з діоксидом урану як ядерне паливо, наслідком яких є втрата пластичності матеріалу оболонки і поява тріщин в ній в процесі роботи. The paper considers physical models of nuclear hydrogenation of fuel claddings made of zirconium and its alloys that occurs in neutron fields of the WWER cores with uranium dioxide fuel. This causes the cladding material to lose its plasticity and leads to cracks during operation. ru Державне підприємство "Державний науково-технічний центр з ядерної та радіаційної безпеки" Держатомрегулювання України та НАН України Ядерна та радіаційна безпека О ядерном гидрировании оболочек твэлов из циркония и его сплавов в реакторе типа ВВЭР-1000 Про ядерне гідрування оболонок твелів з цирконію і його сплавів в реакторі типу ВВЕР-1000 Nuclear Hydrogenation of Zirconium and Zirconium Alloy Fuel Claddings in WWER-1000 Reactors Article published earlier |
| spellingShingle | О ядерном гидрировании оболочек твэлов из циркония и его сплавов в реакторе типа ВВЭР-1000 Пономаренко, П.А. Таборовская, Е.П. Тяпкина, В.А. Фролова, М.А. |
| title | О ядерном гидрировании оболочек твэлов из циркония и его сплавов в реакторе типа ВВЭР-1000 |
| title_alt | Про ядерне гідрування оболонок твелів з цирконію і його сплавів в реакторі типу ВВЕР-1000 Nuclear Hydrogenation of Zirconium and Zirconium Alloy Fuel Claddings in WWER-1000 Reactors |
| title_full | О ядерном гидрировании оболочек твэлов из циркония и его сплавов в реакторе типа ВВЭР-1000 |
| title_fullStr | О ядерном гидрировании оболочек твэлов из циркония и его сплавов в реакторе типа ВВЭР-1000 |
| title_full_unstemmed | О ядерном гидрировании оболочек твэлов из циркония и его сплавов в реакторе типа ВВЭР-1000 |
| title_short | О ядерном гидрировании оболочек твэлов из циркония и его сплавов в реакторе типа ВВЭР-1000 |
| title_sort | о ядерном гидрировании оболочек твэлов из циркония и его сплавов в реакторе типа ввэр-1000 |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/97459 |
| work_keys_str_mv | AT ponomarenkopa oâdernomgidrirovaniioboločektvélovizcirkoniâiegosplavovvreaktoretipavvér1000 AT taborovskaâep oâdernomgidrirovaniioboločektvélovizcirkoniâiegosplavovvreaktoretipavvér1000 AT tâpkinava oâdernomgidrirovaniioboločektvélovizcirkoniâiegosplavovvreaktoretipavvér1000 AT frolovama oâdernomgidrirovaniioboločektvélovizcirkoniâiegosplavovvreaktoretipavvér1000 AT ponomarenkopa proâdernegídruvannâobolonoktvelívzcirkoníûíiogosplavívvreaktorítipuvver1000 AT taborovskaâep proâdernegídruvannâobolonoktvelívzcirkoníûíiogosplavívvreaktorítipuvver1000 AT tâpkinava proâdernegídruvannâobolonoktvelívzcirkoníûíiogosplavívvreaktorítipuvver1000 AT frolovama proâdernegídruvannâobolonoktvelívzcirkoníûíiogosplavívvreaktorítipuvver1000 AT ponomarenkopa nuclearhydrogenationofzirconiumandzirconiumalloyfuelcladdingsinwwer1000reactors AT taborovskaâep nuclearhydrogenationofzirconiumandzirconiumalloyfuelcladdingsinwwer1000reactors AT tâpkinava nuclearhydrogenationofzirconiumandzirconiumalloyfuelcladdingsinwwer1000reactors AT frolovama nuclearhydrogenationofzirconiumandzirconiumalloyfuelcladdingsinwwer1000reactors |