Скачать кс 1.6 с КИБЕРОЛИМПА
Анализ мирового энернетического рынка Воздействие радиации на человека Мировые тенденции в сфере энергетике Традиционные виды энергетики Солнечная коллектор Наука в атомной сфере Скачать кс 1.6 с КИБЕРОЛИМПА

Полученные результаты показали, что теплопроводность образцов МЯТ с имитацией выгорания 8,5 ат.% снижается на 23% при 700К и на 3% при 1850К по отношению к диоксиду урана без добавок. Введение ВПН Er 0,6%, Gd 4% и Gd 15% приводит к еще большему снижению теплопроводности на 32, 48 и 61% при температуре 700К и на 3, 7 и 23% при 1850К соответственно.

Более низкая теплопроводность образцов МЯТ по сравнению с UO2 связана с тем, что, в UO2 доминирует фонон-фононное рассеяние, в то время как в МЯТ определяющее влияние на теплопроводность оказывает рассеяние фононов точечными дефектами, что подтверждается данными по термическому сопротивлению образцов.

Термическое сопротивление образцов до температур 1600К может быть представлено в виде:

, (4)

в котором λ - теплопроводность, А - тепловое сопротивление, обусловленное рассеянием фононов статическими дефектами кристаллической решетки, а В·Т - тепловое сопротивление, обусловленное фонон-фононным рассеянием, или тепловое сопротивление самой решетки. Полученные зависимости термосопротивления образцов от температуры представлены на рис.6.

Рис.6. Зависимости термосопротивления образцов от температуры.

Значения коэффициентов А и В в выражении (4) рассчитанные с помощью метода наименьших квадратов представлены в таблице 5.

Из приведенных результатов видно, что величина коэффициента А возрастает для образца СИ-0 (пористость 11% без ИПД) в 2 раза, для образцов СИ-1 и СИ-2 (пористость 6-7%, ИПД-8,5%) в 4-5 раз, а для образца СИ-3 (пористость 5%, ИПД-8,5%, Gd2O3-4%) более чем в 10 раз по сравнению со значением А для “штатных” образцов UO2 (пористость 5%). При снижении содержания Gd2O3 (обр. СИ-4) коэффициент А уменьшается примерно в 1,5 раза (обр. СИ-3) Коэффициент В для П-0 – уменьшается на 8%, для СИ-1 и СИ-2 – уменьшается на 29%, для образца СИ-3 – на 90%, а для образца СИ-4 – на 75%. Из этого следует, что для образцов с таким уровнем выгорания и содержанием ВПН снижение теплопроводности объясняется взаимодействием фононов с дефектами решетки матрицы UO2.

Так как металлические выделения, не оказывают существенного влияния на величину теплопроводности, то ее снижение объясняется в основном растворением некоторых ПД в матрице топлива, а также образованием сложных оксидных фаз с низкой теплопроводностью. При растворении имитаторов ПД в решетке UO2 возникают напряжения за счет различия ионных радиусов урана и ПД, которые приводят к повышению теплового сопротивления решетки. ВПН (Er или Gd) также растворяются в матрице диоксида урана, что приводит к еще большему снижению теплопроводности.

Влияние точечных дефектов на теплопроводность связано с сечением рассеяния фононов точечными дефектами Гi [10]. Этот параметр может быть описан следующим выражением

, (5)

где yi – атомная доля точечных дефектов, Mi – атомная масса точечного дефекта i-ого типа, M – средняя атомная масса замещенных атомов в решетке, ri - атомные радиусы точечных дефектов i-ого типа в узлах решетки, r – средний атомный радиус замещенного иона в узле решетки, η – феноменологический параметр, выражающий величину возникающих в решетке напряжений. Таким образом, при растворении ИПД в решетке UO2 возникают напряжения за счет различия ионных радиусов урана и ИПД, а также, за счет разницы атомных масс, усиливается роль ангармонизма в рассеянии фононов. Эти факторы приводят к повышению теплового сопротивления решетки.

Кроме того, при в ведении в UO2 полуторных оксидов типа Me2O3 в кристаллической решетке образуются ионы U5+, что еще больше увеличивает концентрацию центров рассеяния фононов. Так как по результатам работы [11] величина параметра η может составлять ~ 30, то вклад фактора напряжения в снижение теплопроводности на порядок превышает эффективность массового фактора (различия атомных масс урана и ПД). ВПН (Er или Gd) также растворяются в матрице диоксида урана, что приводит к еще большему снижению теплопроводности.

Ионные радиусы урана и некоторых ИПД приведены в табл. 5, где также приведены, для растворимых в матрице элементов, оценки сечения рассеяния фононов точечными дефектами рассчитанные по уравнению (5).

Таблица 5

Ионные радиусы урана и ИПД [12]

Ион

O2-

Sr2+

La3+

Nd3+

Y3+

U4+

Ce4+

U5+

Zr4+

U6+

Sc3+

Ti4+

Радиус, пм

136,7

126,0

116,0

110,9

101,9

100,1

97,0

88,0

84,0

83,0

81,0

68,0

Гi·10-3

-

-

8,373

11,602

1,207

-

7,721

15,342

23,129

-

-

-

Однако увеличение параметра решетки UO2 за счет РЗЭ и ВПН (ионные радиусы La3+, Nd3+ и Ce3+ в среднем на 10 пм больше ионного радиуса U4+, составляющего 100 пм при координационном числе 8) может компенсироваться за счет введения ионов Zr4+ с меньшим ионным радиусом. Поэтому можно предположить существенное снижение напряжений в решетке UO2 при введении эквивалентных количеств РЗЭ и ZrO2.

  Из полученных результатов видно, что количество ИПД, вид и содержание ВПН оказывают существенное влияние на теплопроводность МЯТ. Так, например, при введении ИПД и ВПН, в указанных количествах, значение λ может снижаться более чем в 2 раза при температуре 700К. Поэтому достоверные данные о характере и величине изменения теплопроводности оксидного ядерного топлива при его глубоком выгорании, можно получить только в результате проведения широких, систематических исследований влияния на теплопроводность МЯТ целого ряда факторов, таких как: структура топлива (пористость, размер и характер распределения пор, размер зерна, наличие трещин и т.д.), количество, а также соотношение между имитаторами продуктов деления и плутония, содержание и вид ВПН, характер взаимодействия ИПД и ВПН с матрицей топлива.


Экологические проблемы гидроэнергетики