Процессы в ТВЭЛах работающего реактора

В ходе работы реактора в ядерном топливе происходят многочисленные ядерные, радиационно-химические и химические процессы, приводящие к существенным изменениям ядерно-физических и механических свойств как функциональных, так и конструкционных материалов.

При облучении топлива нейтронами ²35U выгорает, часть ²з"и переходит в нептуний, плутоний и более тяжёлые актиниды, образуются многочисленные продукты деления, часть из которых эффективно захватывают нейтроны (являются нейтронными ядами). Как уже упоминалось, накопление некоторых короткоживущих радионуклидов с высоким сечением поглощения нейтронов приводит к отравлению (стационарному и нестационарному) реактора, которое существенно усложняет его управление.

Эффекты отравления и разотравления изотопом ‘35Хе сложным образом влияют на характер протекания цепной реакции (например, одним из следствий являются ксеноновые колебания). Предельным и крайне нежелательным эффектом нестационарного отравления *з5Хе является йодная яма. Попадание реактора в глубокую йодную яму после останова приводит к вынужденному простою на 30 часов, если не имеется большого запаса реактивности. Работа на границе йодной ямы не допускается, так как она не только очень сложна, но и опасна.

Накопление тяжёлых инертных газов в топливе приводит к его распуханию (свеллииг), что может вызвать разрывы топливных стержней и загрязнение теплоносителя радионуклидами. Борьба со свеллингом требует создания радиационно-стойкого материала, устойчивого против охрупчивания, формоизменения, ползучести и распухания, малоактивируемого.

продуктов.

и не изменяющего изотопный и фазовый состав. Возникающие здесь сложные проблемы решаются методами радиационного материаловедения.

Рис. 1. Нестационарное отравление ‘35Хе после останова реактора (йодная яма): 1 — накопление и распад ксенона; 3 — изменение во времени реактивности реактора. Свеллииг — увеличение объёма порошковой прессовки в результате возникновения в нём раковин и накопления газообразных

Распухание, т. е. увеличение объёма и уменьшение плотности материала в результате облучения высокоэнергетическими частицами, обусловлено различной подвижностью радиационных точечных дефектов, приводящей к избытку вакансий и образованию их скоплений в виде пор в объёме облучаемого материала. Процесс распухания чувствителен к условиям облучения и зависит от вида, флюенса и интенсивности потока частиц, температуры и структурно-фазового состояния облучаемого материала. Распухание начинается после определённого инкубационного периода, в течение которого материал не распухает, и увеличивается с ростом флюенса частиц. Процесс распухания существенно зависит от присутствия в материале газообразных продуктов ядерных реакций, например, гелия, так как газ стабилизирует зародыши пор, уменьшая их критические размеры, увеличивает плотность мест зарождения пор.

В процессе нормальной эксплуатации U0₂ в топливе начинает реагировать с цирконием, содержащемся в оболочке топливного стержня. При облучении топлива нейтронами топливо сначала увеличивается в объёме как результат термического расширения, а затем начинает реагировать с приповерхностными слоями циркониевого сплава, формируя новый слой, содержащий как топливо, так и цирконий. Затем на топливной стороне этого слоя смешанного состава, возникает слой топлива, в котором имеет место более высокое отношение цезий/уран, чем в основном топливе. Изотопы ксенона, образующиеся при делении урана, выделяются путём диффузии из решетки топлива и накапливаются в узком зазоре между топливом и оболочкой, где распадаются на изотопы цезия. Из-за теплового градиента, существующего в топливе при работе реактора, летучие продукты деления перемещаются от центра гранулы топлива к её поверхности. Из-за плохой теплопроводности U0₂ в центре гранулы начинает перегреваться, что может привести к крайне нежелательным последствиям.

Облучение нейтронами изменяет свойства не только функциональных, но и конструкционных материалов. В условиях облучения происходит ускорение обычной (термической) ползучести нагруженных конструктивных элементов реактора, приводящей к их формоизменению: удлинению и изгибу. Следствием радиационно-ускоренной ползучести является существенное снижение (в отличие от кратковременной ползучести) длительной прочности материалов под действием облучения.

Из-за рассмотренных выше процессов, ОЯТ следует своевременно удалять из ядерного реактора.

Замена топлива

Очевидно, что через определённый интервал времени (кампания реактора) отработанные топливные стержни следует заменять свежими. При этом обычно заменяется треть ТВЭЛов. Поскольку топливо выгорает неравномерно, то возникает сложная проблема оптимальной перегрузки топлива. Новое топливо существенно искажает радиационные и тепловые поля в активной зоне реактора, что может привести к неэффективному расходу топлива, а в некоторых случаях — к аварийным ситуациям. Задача состоит в оптимизации процесса замены старого топлива новым, с целью максимилизации выгорания топлива и минимизации затрат на приобретение топлива. Для решения этой проблемы операторы используют комбинацию вычислительных и эмпирических методов.

ОЯТ удаляется их реактора и направляется на временное хранение.