铀钼合金燃料辐照肿胀行为综述.pdf
《铀钼合金燃料辐照肿胀行为综述.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《铀钼合金燃料辐照肿胀行为综述.pdf(5页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、2023 年 25 期创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application铀钼合金燃料辐照肿胀行为综述姚钦文(中国原子能科学研究院,北京 102413)金属核燃料具有导热性能好、铀密度高、增殖能力强等优点,广泛应用于研究堆、生产堆、动力堆及早期的液态金属快中子反应堆1。然而,金属核燃料存在辐照时尺寸稳定性差、与包壳材料及冷却剂相容性差、熔点低等缺点。U-Mo 合金燃料作为一种先进的金属核燃料,相对于其他金属核燃料,有较好的辐照稳定性,成为目前研究堆燃料、耐事故燃料(Accident TolerantFuel,ATF)和空间热管堆燃料的主要研究方向2。
2、20 世纪 50 年代起,俄罗斯、美国等相继开展了 U-Mo 合金燃料研究。俄罗斯在其 BUK 空间核反应堆采用了高富集度棒状 U-Mo 合金燃料元件3,反应堆运行温度达到了 800 益,得益于合理的结构设计,BUK 成为历史上发射次数最多的空间核反应堆,其中最长的一次任务持续时间为 135 d;此外,俄罗斯开展了应用于研究堆的高密度 U-Mo 合金燃料研究工作4,在完成辐照考验的基础上,开展了单片式 U-Mo 合金燃料研究。美国针对U-Mo 合金燃料在研究堆及空间热管堆上的应用开展了相关研究,U-Mo 合金单片型燃料被选为美国高性能研究堆用燃料5,在研究堆较低的运行温度下(运行温度小于 25
3、0 益),较深燃耗下燃料的辐照肿胀成为影响 U-Mo 合金燃料入堆的关键因素之一;近年来,美国宇航局格伦研究中心(Glenn Research Center,GRC)研制了一种小型空间裂变动力系统Kilpower 空间核反应堆6,采用全固态高浓 U-Mo 合金燃料作为反应堆堆芯,工作温度接近 900 益,燃料在高温下的膨胀影响堆芯结构稳定性。过去几十年关于 U-Mo 合金燃料的大量研究工作发现,U-Mo 合金燃料的辐照肿胀效应是影响其工程化应用的关键因素;辐照过程中,U-Mo合金的微观结构、辐照温度和燃耗深度是影响 U-Mo合金燃料辐照肿胀行为的关键。作者简介:姚钦文(1996-),男,硕士研
4、究生。研究方向为核燃料性能分析。摘要:铀钼(U-Mo)合金作为一种先进金属核燃料,相对于传统氧化物燃料具有热导率高、铀密度高等优势,成为目前研究堆、空间热管堆用燃料的研究热点。U-Mo 合金燃料存在金属核燃料共有的辐照肿胀效应,是限制 U-Mo 合金燃料应用的关键因素。相对其他铀合金燃料,U-Mo 合金具有更好的抗辐照稳定性,其辐照肿胀行为受燃耗和温度影响严重。结合金属核燃料辐照肿胀特性,简述 U-Mo 合金燃料辐照肿胀效应的机理,汇总现阶段 U-Mo 合金燃料辐照肿胀模型的研究成果并进行对比。最后对 U-Mo 合金燃料的未来发展和工程化应用进行展望。关键词:金属核燃料;铀钼合金;辐照肿胀;物
5、性模型;效应机理中图分类号院TL62+7文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤25-0006-05Abstract:Uranium-molybdenum(U-Mo)alloy,as an advanced metal nuclear fuel,has the advantages of high thermalconductivity and high uranium density compared with traditional oxide fuel,and has become a research hotspot of fuel for researchreactor
6、s and space heat pipe reactors.The radiation swelling effect of U-Mo alloy fuel is the key factor limiting the application ofU-Mo alloy fuel.Compared with other uranium alloy fuels,U-Mo alloy has better radiation stability,and its radiation swellingbehavior is seriously affected by burn-up and tempe
7、rature.According to the characteristics of metal fuel radiation swelling,themechanism of U-Mo alloy fuel radiation swelling effect is briefly described,and the research results of U-Mo alloy fuel radiationswelling model at present are summarized and compared.Finally,the future development and engine
8、ering application of U-Moalloy fuel are prospected.Keywords:metal nuclear fuel;U-Mo alloy;radiation swelling;physical property model;effect mechanismDOI:10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.25.0026-创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 25 期本文结合金属核燃料的辐照肿胀特性,简要描述了 U-Mo 合金辐照肿胀机理,并通过总结目前已有的U-Mo
9、 合金辐照肿胀模型,进一步掌握 U-Mo 合金燃料的材料辐照特性,为后续研究提供建议。1金属核燃料辐照肿胀简介金属核燃料的辐照行为被广泛研究,辐照肿胀现象是金属核燃料辐照行为的主要研究方向之一。金属核燃料肿胀表现为燃料体积增大,伴随着密度显著减小,其肿胀行为主要与辐照生长、空化肿胀、固体裂变产物的产生以及气体裂变产物的产生、聚集和释放有关1。金属核燃料的辐照肿胀与其辐照生长有一定关系,而金属铀合金的辐照生长与晶体的结构有关:合金元素含量较低的铀合金易产生各向异性的 琢 铀,导致辐照生长问题严重;琢 铀中存在沉淀相的合金晶粒尺寸小、机械强度高,辐照生长相对较小;稳定的 酌相铀合金晶体结构为各向同
10、性,发生辐照生长的趋势小,具有更好的辐照稳定性;由辐照生长引起的肿胀占比较小,但易引起芯块长度变化。在较低燃耗下,金属核燃料的辐照肿胀主要与空化肿胀有关。晶粒的辐照生长产生应力场,导致晶界滑移形成裂纹而产生空洞,最终导致体积膨胀。固体裂变产物的产生引起的肿胀量同样较小,与燃耗深度变化呈近似线性关系。随着温度升高和燃耗加深,在金属核燃料中气体裂变产物导致的肿胀占比增加,成为限制铀合金燃耗提升的关键因素。总结金属核燃料辐照肿胀机理不难发现,影响金属核燃料辐照肿胀行为的主要因素为金属燃料的微观结构、辐照温度和燃耗深度。对于铀合金燃料而言,从低温到高温能保持单一 酌相的 U-Mo 合金具有相对较好的抗
11、辐照肿胀稳定性。2铀钼合金辐照肿胀行为影响因素2.1微观结构对铀钼合金肿胀的影响金属铀(U)存在 3 种同素异形体,常温下为 琢 铀,为斜方晶格。金属铀在 668 益时转变为 茁 铀,茁 铀是典型的四方系晶格。在 7751 132 益温度范围内,转变为 酌铀,酌 铀是体心立方晶格。各向同性的 酌铀,可以避免辐照时的各向异性生长,有利于辐照尺寸稳定性7。铀合金化有利于获得各向同性的 酌相,进而提高辐照稳定性。合金元素钼(Mo)、铌(Nb)、钛(Ti)、锆(Zr)能稳定 酌相,其中U-Mo 系和 U-Nb 系中形成的亚稳态酌 相是最稳定的,这些合金处于亚稳态时可以使用。U-Mo 合金 酌 相区相对
12、较宽,随着 Mo 含量从 3 wt%提高到 10 wt%,U-Mo 合金的抗辐照肿胀稳定性会显著提高。Mo 含量在 7 wt%以上的 U-Mo 合金,为稳定的 酌相合金,相对其他铀合金有更好的辐照稳定性及高温机械性能。关于 U-Mo 合金的最新研究表明,Mo 含量在 8 wt%以上的合金样品随炉冷却后可以得到单一、稳定的 酌相8,这对于获得室温下 酌相稳定的 U-Mo 合金而言是有利的。因此,在 U-Mo 合金工程化应用过程中,从提高燃料抗辐照肿胀稳定性角度而言,更推荐Mo 含量为 8 wt%以上的 U-Mo 合金。2.2温度对辐照肿胀的影响金属铀的辐照稳定性效应与温度有关7,在温度低于 45
13、0 益的情况下长时间辐照,琢 铀会产生辐照生长,最大的辐照生长发生在 300350 益;400450 益时发生气体肿胀;温度高于 500 益时,发生明显的气体肿胀,导致金属体积增大,铀密度显著减小。对于 U-Mo 合金而言,根据 Xiao 等9进行的气体裂变产物分子迁移聚合的动力学模拟研究结果,如图1 所示。气体裂变产物导致的肿胀与燃耗深度和温度紧密相关,裂变气体在材料中产生的气泡发生聚合与气泡间距、材料温度有关。间距越小,气泡越容易发生聚合,相应地发生气泡聚合所需的温度越低;材料温度越高,气泡越容易突破限制而发生聚合。因此,在一定燃耗深度条件下,温度越高,气泡越容易发生聚合,裂变气体气泡聚合
14、效应越显著。这意味着在 U-Mo 合金的辐照过程中,温度越高,裂变产生的气体裂变产物越容易释放出来,U-Mo 合金的辐照肿胀效应越显著。同时,也注意到气体裂变产物对 U-Mo 合金辐照肿胀的影响,限制了该合金在高温、高燃耗下的应用。2.3燃耗深度对辐照肿胀的影响在辐照条件下,随着燃耗的加深,固体裂变产物和气体裂变产物不断产生。气体裂变产物中的稀有气体氙(Xe)和氪(Kr)不溶于固体,更倾向于沉积在固体内形成气泡。燃料肿胀的大小主要取决于辐照过程中气泡的形态。对于 U-Mo 合金而言,裂变气体沉积在稳定的面心立方纳米气泡超晶格中,这些纳米级的气泡超晶格在裂变密度小于 3伊1021fissions
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 合金 燃料 辐照 肿胀 行为 综述
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。