авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |

«МЕЖДУНАРОДНЫЙ СЕМИНАР ТЕХНОЛОГИИ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ 14-17 ...»

-- [ Страница 2 ] --

Полная Запас надежности по Предельная предельная деформации Условный Длительность Рабочая деформация побл деформация чехла облучения чех- деформация номер n = ' п р ед р ед ' ла ампулы, ч п р ед = п р ед + экспл чехла чехла экспл ампулы,% писх р ед 0 0 0.226 0.226 №1,…,№ №6 3150 0.006 0.199 0.205 №9 4530 0.009 0.185 0.194 №10 4530 0.011 0.186 0.197 жателя, стального корпуса реактора, стальных Выводы Выполнено материаловедческое исследование корпусов ресурсных ампул, бокового и торцового состояния графитовых, стальных, бериллиевых и бериллиевых отражателей и гидридного замедли гидридных деталей активной зоны реактора РА теля, сохранили свои эксплуатационные характе после 4700-часовой эксплуатации реакторной ристики в состоянии, очень близком к исходному.

Выяснено, что невысокая степень деградации установки на номинальной мощности. Исследо исходного состояния этих деталей связана, преж вание осуществлялось путем визуального освиде де всего, с невысоким уровнем достигнутой к на тельствования доступных для осмотра деталей и стоящему времени дозы реакторного облучения у измерения различных физико-механических и графитового отражателя (ФБ.Н.1.51019 см–2), структурных характеристик материала деталей в стального корпуса реактора (ФБ.Н.21019 см–2), исходном и облученном состояниях.

Установлено, что такие основные и ответст- стальных чехлов ампул (ФБ.Н.5.51019 см–2) и бе венные детали активной зоны реактора, как дета риллиевых отражателей ( Ф Б. Н. 81019 см–2), а ли дополнительного бокового графитового отра МАТЕРИАЛОВЕДЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ ДЕТАЛЕЙ АКТИВНОЙ ЗОНЫ РЕАКТОРА РА также с невысокой температурой и дозой облуче- вия сколько-нибудь значительных термических напряжений.

ния у гидридного замедлителя ( T 430 К;

В связи с обнаруженной высокой стабильно ФБ.Н.2.51019 см–2). Кроме того, важное значение стью эксплуатационных характеристик у иссле имело и то, что детали активной зоны, изготов дованных деталей активной зоны сделано заклю ленные из хрупких материалов, т.е. детали графи чение о возможности дальнейшей длительной тового отражателя и гидридного замедлителя, не эксплуатации этих деталей в реакторе РА.

являлись несущими элементами конструкции ре актора и эксплуатировались в условиях отсутст Литература:

1. Свойства конструкционных материалов на основе углерода. Справочник под ред. Соседова М.С., М., Металлургия, 1975, 336 с.

2. Гончаров В.В., Бурдаков Н.С., Виргильев Ю.С. и др. Действие облучения на графит ядерных реакторов.

М., Атомиздат, 1978, 272 с.

3. Серняев Г.А. Радиационное повреждение бериллия при температуре жидкого азота. ВАНТ, сер. Ядерная техника и технология, вып. 2, 1992, с. 17–32.

4. Серняев Г.А. Распухание и "самопроизвольное" растрескивание Ве при низкотемпературном облучении.

ВАНТ, сер. Ядерная техника и технология, вып. 2, 1992, с. 35–39.

5. Гидриды металлов. Под ред. В. Мюллера. Пер. с англ. М., Атомиздат, 1973, 368 с.

6. Антонова М.М. Свойства гидридов металлов, Киев, Наукова думка, 1975, 214 с.

7. Х. Дж. Гольдшмидт. Сплавы внедрения, ч. II, М., Мир, 1971, 464 с.

«АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА И БЕЗОПАСНОСТЬ АЭС» выпуск 1, январь УДК 621.039.526: 621.039. РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ МОДЕЛЬНЫХ ТВЭЛОВ РЕАКТОРА ТИПА БРЕСТ- В РЕАКТОРЕ ИГР Вурим А.Д.1), Жданов В.С.1), Зверев В.В.1), Пивоваров О.С.1), Кулинич Ю.А.2) 1) Институт атомной энергии, 2) Российский Федеральный ядерный центр ВНИИТФ, РФ Проведены испытания модельных твэлов реактора на быстрых нейтронах типа БРЕСТ-300 с нитридным то пливом в свинцовом теплоносителе в центральном экспериментальном канале реактора ИГР на режиме, мо делирующем неконтролируемую вспышку мощности. В результате испытаний произошла разгерметизация твэлов с топливом 2% и 10% обогащения по 235U и фрагментация части топливных таблеток при взаимодей ствии с теплоносителем.

В процессе реакторных испытаний выполнялись измерения и регистрация параметров экспериментов: тем пературы топлива, оболочек и теплоносителя, давления в твэлах и в исследовательской ампуле, энерговыде ления в реакторе.

Выполнены физические исследования системы “твэл–ампула–реактор”, послепусковые спектрометрические и материаловедческие исследования, расчетная оценка параметров температурных полей в исследователь ской ампуле. Получены расчетные и экспериментальные значения разрушающих удельных энерговыделе ний в топливе, проведена оценка степени и характера фрагментации топлива при взаимодействии с теплоно сителем, исследовано распределение фрагментов топлива по объему экспериментальной ампулы.

постепенно охватывает все твэлы тепловыделяю 1. Анализ безопасности реакторов БН Разработка реактора с повышенной безопасно- щей сборки (ТВС). Повреждения могут распро стью может основываться на технологии и мате- страняться от одной ТВС к другим, расположен риалах, знаниях и опыте, накопленных по реакто- ным в соседних ячейках. Если развитие процесса рам, охлаждаемым тяжелым жидким металлом, будет достаточно быстрым, система аварийной подобным свинцу. Свинец мало активируется защиты не сможет воспрепятствовать разруше нейтронами, что при соответствующей очистке от нию активной зоны. Кроме того, глубокая фраг примесей позволяет рассчитывать на его повтор- ментация топливных таблеток приводит к резко ное использование. Свинец способствует сниже- му увеличению поверхности взаимодействия топ нию активации и радиационного повреждения лива с теплоносителем, что в свою очередь вызы конструкций реактора. Это приводит к продле- вает изменения процессов тепломассопереноса и нию срока службы, упрощению демонтажа и ре- расширение объемов химического взаимодейст новации реактора, снижению объемов РАО. На- вия материалов активной зоны между собой. В конец, как и в любом быстром реакторе, здесь этой связи было уделено большое внимание ис могут эффективно сжигаться актиноиды. следованиям степени фрагментации материала Важным достоинством реактора на быстрых топлива при разгерметизации оболочек твэлов, а нейтронах со свинцовым теплоносителем являет- также изучению характера распределения фраг ся его высокая устойчивость по отношению к раз- ментов в теплоносителе с целью определения витию тяжелых аварий с плавлением активной длины пролета частиц мононитрида в свинце и зоны. Но несмотря на то, что вероятность гипоте- места наибольшей концентрации фрагментов то тических неконтролируемых аварийных режимов плива после разрушения оболочек. Последнее крайне мала, теоретические и экспериментальные необходимо для оценки вероятности образования исследования в этом направлении ведутся на про- вторичной критической массы при массовом раз тяжении ряда лет. рушении твэлов.

Важной проблемой, на решение которой разра 2. Испытания модельных твэлов типа ботчиками реакторов на быстрых нейтронах (БН) БРЕСТ-300 в ИГР затрачиваются большие усилия, является иссле В центральном экспериментальном канале ре дование вероятности распространения аварийного актора ИГР выполнены испытания, моделирую разрушения твэлов внутри активной зоны. Ос щие неконтролируемый рост мощности в модель новной целью исследований является изучение ных твэлах реактора типа БРЕСТ–300. Ампуль влияния аварийного разрушения одного твэла на ные устройства для испытаний были разработаны соседние элементы, т.е. возможного увеличения и изготовлены в Российском федеральном ядер масштабов и опасности аварии.

ном центре (РФЯЦ) ВНИИТФ, испытания прово Возможны два варианта развития процесса дились на основании совместно разработанной разрушения твэла: либо распространение аварии программы.

приостанавливается, либо аварийное разрушение РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ МОДЕЛЬНЫХ ТВЭЛОВ РЕАКТОРА ТИПА БРЕСТ-300 В РЕАКТОРЕ ИГР В процессе исследований решались задачи: свинцовом теплоносителе проведены в трех пус методической отработки испытаний модель- ках /табл.2/. Пуск 117Ф4 выполнен с целью оцен ки соотношения энерговыделений в реакторе и ных твэлов быстрых реакторов в ИГР;

топливе модельных твэлов;

в пуске 117Ф6 отра оценки уровней разрушающих энерговыделе батывалась система регистрации гамма– ний в топливе при импульсном набросе мощ нейтронного изображения (ГНИ) для оценки рас ности;

положения топлива в ампуле после разрушающе проверки надежности конструкции ампул и го нагружения твэлов в реакторе ИГР;

пуск датчиков контроля параметров экспериментов;

117Ф5 являлся основным исследовательским пус отработки методов разделки ампул и после ком с реализацией режима, моделирующего ава пусковых материаловедческих исследований.

рийный импульсный наброс мощности.

Испытания модельных твэлов реактора типа БРЕСТ-300 с топливом из мононитрида урана в Таблица 2. Основные параметры пусков реактора ИГР при исследованиях поведения твэлов реактора типа БРЕСТ- Наименование параметра 117Ф4 117Ф5 117Ф Параметры работы реактора ИГР регулируемый тре- регулируемый тре- регулируемый Реализованный режим угольный импульс угольный импульс прямоугольный импульс Мощность максимальная, МВт 110 900 0, Интегральное энерговыделение в реакторе, МДж 88 840 Характерное время длительности режима, с t1/2=0,5 t1/2=0,7 t= Удельные характеристики мониторов энерговыделения Число делений, дел./г235U 9,11013 8,81014 1,0 Флюенс тепловых нейтронов,н/см2 6,81013 6,61014 7, Энерговыделение, кДж/г235U 2,6 25,0 29, Параметры твэлов и теплоносителя Начальная температура твэлов и теплоносителя, К 673±5 823± Температура топлива (максимальная измеренная) в твэле с 1300 1700 2%-обогащением, К Температура оболочки измеренная, К твэла с 10%-обогащением 760 710 твэла с 2%-обогащением Температура теплоносителя измеренная, К 750 7.2, Испытания носили сигнальный характер, яв- 87. ляясь, по существу, первым экспериментом с топ ливом на основе мононитрида урана в свинцовом теплоносителе, выполненным на режиме, моде- 2 7 1 3 4 6 8 лирующем условия реактивностной аварии типа 1...6 - таблетки (втулки) UN;

RIA. В связи с этим, полученные эксперимен- 7 - заглушка;

8 - оболочка;

9 – штуцер тальные данные являются предварительными, Рис. 1. Cхема модельного твэла БРЕСТ-300.

хотя безусловно, испытания представляют значи тельный интерес как с методической точки зре ния, так и с позиций исследования конкретных На Рис. 2 приведена принципиальная схема вопросов, таких как, например, идентификация расположения датчиков измерения основных па механизмов разрушения в их взаимосвязи с теп- раметров испытаний модельных твэлов. Измере ловым состоянием твэлов. ния температуры осуществлялись с помощью термоэлектрических преобразователей (ТЭП).

2.1. Краткое описание схемы измерения па Для измерения температуры топлива применя раметров эксперимента лись ТЭП градуировки ВР5/20, изготовленные из Модельный твэл представляет собой укоро термопарной проволоки диаметром 0,5мм. Для ченный твэл реактора типа БРЕСТ-300 с топлив всех остальных измерений температуры применя ными втулками из мононитрида урана и состоит лись ТЭП градуировки ХА, изготовленные из из следующих основных частей /Рис.1/.

термопарного кабеля КТМС ХА с диаметром термоэлектродов ~0,1мм.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ МОДЕЛЬНЫХ ТВЭЛОВ РЕАКТОРА ТИПА БРЕСТ-300 В РЕАКТОРЕ ИГР уточнение соотношения между энерговыделе ДД1 ДД нием в твэлах и энерговыделением в активной зоне ИГР.

ТП В ходе испытаний твэлов реактора БРЕСТ- ТП в реакторе ИГР реализованы регулируемые им ТП пульсы мощности, графически изображенные на ТП Рис.3а,б.

ТП ТП ТП 4 N, МВт ТП 900 МВт ТП твэл N2 твэл N ТП1, ТП2–температура в центре топливного сердечника;

ТП3...ТП6–температура на оболочках твэлов;

ТП7,ТП8–температура теплоносителя;

1.4 с t, с ТП9–температура наружной поверхности ампулы;

ДД1,ДД2–давление в компенсационном объеме а) режим испытаний Рис.2. Схема размещения датчиков в исследовательской ампуле.

N, МВт Давление в компенсационном объеме твэлов 0.39 МВт контролировалось с помощью потенциометриче 2400 c ских датчиков МД-300ТС, характеризуемых по- t, с стоянной времени ~8мс. Для определения момен б) режим получения ГНИ та и места разгерметизации твэлов на поверхно сти оболочек устанавливались тензометрические Рис.3. Режимы работы реактора ИГР при прове датчики, изготовленные по технологии РФЯЦ дении испытаний твэлов реактора БРЕСТ-300.

ВНИИТФ.

Регистрация сигналов термопар ТП1...ТП9, тензодатчиков ТД1...ТД4, датчиков давления При проведении пусков характерные парамет ДД1, ДД2 производилась с помощью информаци ры режимов работы реактора ИГР были выбраны онно-измерительной системы (ИИС) реактора расчетным путем с учетом результатов предыду ИГР, выполненной на базе нормирующих преоб щих экспериментов с твэлами быстрых реакторов разователей “напряжение-ток” типа в натриевом теплоносителе. Для эксперименталь Ф8025С/15МА1, модулей CAMAC и управляю ного уточнения соотношения мощности энерго щей ЭВМ.

выделения в модельных твэлах и в активной зоне 2.2. Режимы испытаний реактора ИГР проведен дополнительный калиб Выбор режимов испытаний обусловлен целя- ровочный пуск. Кроме того, в калибровочном ми, сформулированными в программе: пуске ставилась задача проверки работоспособно получение экспериментальных данных по сти средств контроля и измерения теплофизиче энерговыделению, температурам, давлениям в ских параметров модельных твэлов и теплоноси твэлах при импульсном разогреве топлива для теля.

уточнения расчетных моделей прогнозирова- Основной исследовательский пуск (117Ф5) ния крупных аварий;

был реализован в режиме "регулируемый импульс уточнение модели плавления и разрушения треугольной формы" с предварительным разогре оболочки твэла;

вом твэлов и теплоносителя до температуры получение и сравнение параметров, характе- 823 К встроенным электрическим нагревателем.

ризующих тепловое состояние твэлов и тепло- На Рис. 4 приведены графики изменения тем носителя при аварии, имитирующей остановку пературы топлива оболочки и теплоносителя в движения теплоносителя, и аварии с плавле- процессе выполнения основного исследователь нием топлива при нормальной работе системы ского пуска.

охлаждения реакторов;

РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ МОДЕЛЬНЫХ ТВЭЛОВ РЕАКТОРА ТИПА БРЕСТ-300 В РЕАКТОРЕ ИГР Т, К T, K # # Температура в центре твэла 5000 Т П. # Т П. % $ Температура стенки таблетки $ 4500 Т П. $ Т П. * 4000 % Температура оболочки твэла 1500 Т П., Температура свинца, 3500 & заполняющего ампулу Т П. + # Т П. ' 3000 $, ' Показания термопары ТП1 Т П. ) ( Показания термопары ТП ' ) Показания термопары ТП4 # ' + 2000 ' % Диаграмма изменения, % мощности реактора * l ' ( 1000 & ) ) 0 1 2 3 4 Время,с 2 3 4 5 В рем я, с а) Расчетное изменение температуры элементов б) Регистрация показаний датчиков в процессе ампулы в пуске 117Ф-5 (твэл 10% обогащения, зазора эксперимента между таблетками и оболочкой твэла заполнен композицией "свинец-азот") Рис. 4. Изменение температуры элементов конструкции ампулы в пуске 117Ф-5.

На Рис. 6 приведена гаммаграмма центральной 2.3. Результаты послепусковых исследова (вдоль оси) части свинцового слитка с модельны ний ми твэлами, полученная с применением иридие После испытаний и выдержки в промежуточ вого гамма–источника при экспозиции на рентге ном хранилище исследовательская ампула была новскую пленку.

извлечена из ампульного устройства, освобожде на от нагревателей и ее стальной корпус разрезан вдоль оси на две половины.

Вкрапления фрагментов топливных таблеток на внешней поверхности свинцового слитка /Рис. 5/, а также точечные следы термического воздействия на внутренней поверхности корпуса ампулы указывают на то, что при разрушении топлива его фрагменты достигли поверхности ампулы. Азимутально-осевое распределение час тиц топлива на поверхности свинцового слитка носит достаточно равномерный характер, за ис ключением донной части ампулы, где наблюдает ся достаточно плотное скопление фрагментов.

Рис. 6. Гаммаграмма свинцового темплета с модельными твэлами.

На гаммаграмме отчетливо видна газовая по лость (1) веретенообразной формы в пространстве между твэлами. Оболочка твэла с топливом 10% обогащения разрушена практически полностью, а оболочка твэла с топливом 2%-обогащения раз герметизирована со стороны более обогащенного твэла на уровне середины топливного сердечника по высоте (2). Кроме того, на уровне верхних за глушек твэлов можно различить топливную таб летку (3), вытесненную газовым пузырем.

Рис. 5. Внешний вид свинцового слитка В твэле с топливом 2%-го обогащения видно с модельными твэлами. смещение двух верхних топливных таблеток на РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ МОДЕЛЬНЫХ ТВЭЛОВ РЕАКТОРА ТИПА БРЕСТ-300 В РЕАКТОРЕ ИГР 8 мм вверх по оболочке, а центральная таблетка плетов располагались параллельно осям модель ных твэлов. Поскольку твэлы располагались в с горячим спаем ТЭП практически полностью ампуле наклонно для обеспечения работы систе разрушена.

мы гамма–нейтронного изображения, одна из ис В импульсных трубках, соединяющих иссле следуемых плоскостей располагалась над твэлами дуемые твэлы с датчиками измерения давления в и проходила практически через касательные к их компенсационном объеме, на высоте более оболочкам, а вторая располагалась под твэлами и 120 мм выше верхней заглушки обнаружен сви отстояла от плоскости, проходящую через каса нец. Учитывая, что при сборке твэлов свинец за тельные к оболочкам на ~10мм. Таким образом ливался непосредственно в оболочки перед при была обеспечена возможность исследований вы варкой верхних заглушек, можно заключить, что сотного и азимутального распределения осколков наличие свинца в импульсных трубках указывает топлива в ампуле. На Рис. 7 приведены фото на возможное кипение свинца в зазоре между то снимки участков поверхности темплета, приле пливом и оболочками обоих твэлов. Следователь гающей к поверхностям оболочек твэлов. Номера но, в процессе испытаний температура топлива фотоснимков соответствуют номеру топливной обоих твэлов превышала 2023 К.

таблетки, на уровне которой выполнялась фото Для исследований фрагментации топлива бы съемка (отсчет таблеток производился снизу ли взяты два свинцовых темплета, вырезанных из вверх, средняя укороченная таблетка исключена слитка, сформированного в исследовательской из рассмотрения).

ампуле после испытаний. Плоскости среза тем 1) 2) 3) 4) 5) 6) Рис.7. Участки поверхности темплета в околотвэльном пространстве.

Подсчитано количество топливных частиц по Наибольшее количество частиц самой мелкой фотографиям участков темплета в квадратах со фракции (менее 30 мкм в поперечнике) располо стороной 0,5 мм, а затем вычислено количество жено в среднем сечении ампулы (от 2000 до 10000 частиц на мм3 теплоносителя), наиболее частиц на единицу объема теплоносителя путем интегрирования в объеме, представляющем собой крупные фрагменты (более 100 мкм в поперечни куб с длиной ребра, равным 0,5 мм. При этом ке) располагаются в верхней и, преимущественно, предполагалось, что при смещении от твэла к в нижней части ампулы (от 10 до 80 частиц на мм3 теплоносителя), а частицы со средним разме корпусу ампулы на 0,5 мм количество фрагментов на единицу объема теплоносителя остается неиз- ром от 50 до 100 мкм достаточно равномерно менным. распределены в нижней половине ампулы по вы РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ МОДЕЛЬНЫХ ТВЭЛОВ РЕАКТОРА ТИПА БРЕСТ-300 В РЕАКТОРЕ ИГР ствия стержней регулирования, т.е не будут обра соте (350 частиц на единицу объема теплоноси зовывать неконтролируемой критической массы.

теля).

Оплавленные кромки частиц, а также харак Если сравнить поверхность участка боковой терная микроструктура мононитрида урана вбли поверхности твэла размером 11 мм на единицу зи поверхности фрагментов подтверждает версию объема теплоносителя с значением удельной по о том, что температура топлива в процессе испы верхности фрагментов топливных таблеток, обра таний составляла ~3100 К. Следовательно, имело зовавшихся в результате разрушения твэла, то место кипение локальное свинца на поверхности нетрудно подсчитать, что при глубокой фрагмен топливных фрагментов.

тации топлива поверхность взаимодействия "топ Для измерения удельного энерговыделения в ливо теплоноситель" возрастает в 2530 раз по мононитриде урана после испытаний в реакторе сравнению с исходным состоянием тепловыде ИГР в пусках 117Ф4,5,6 была использована топ ляющей сборки. При этом следует иметь в виду, ливная втулка № 2 из твэла с топливом 2%-го что при расчете площади поверхности частиц, обогащения по 235U.

последние аппроксимировались как сферические.

В таблице 3 приведены данные измерения аб В реальной ситуации фрагменты имеют геомет солютного энерговыделения в модельных твэлах рически неправильную форму с поверхностными и соотношение между энерговыделением в мо порами и трещинами. Следовательно реальная дельных твэлах и кладке реактора ИГР, получен суммарная площадь поверхности взаимодействия ные в процессе физических исследований систе "топливо–теплоноситель" может быть еще выше.

мы “твэл–ампула–реактор” и уточненные по ре Тот факт, что частица топлива не оседают на зультатам послепусковых спектрометрических дно ампулы а находятся во взвешенном состоя исследований топлива.

нии, позволяет сделать вывод о том, что при ос тановке циркуляции теплоносителя разрушенное топливо будет продолжать оставаться в зоне дей Таблица 3. Значения абсолютного энерговыделения в модельных твэлах.

Номер пуска 117Ф4 117Ф5 117Ф Энерговыделение в реакторе Qр, МДж 88 840 Номер твэла 1 2 1 2 1 Обогащение топлива, % 2 10 2 10 2 Масса 235U в твэле, г 0,242 1,177 0,242 1,177 0,242 1, Энерговыделение в твэле Qт, кДж 0,54 2,98 5,02 28,42 5,85 33, Qp/Qт·10-4 16 2,9 17 2,9 17 3, Заключение среднем в 2530 раз по сравнению с исходным Комплекс проведенных исследований позво- состоянием твэлов. В связи с этим становится лил получить значения разрушающего энерговы- объяснимым происхождение обширных газовых деления в уран–нитридной топливной компози- полостей в свинцовом слитке, т.к. разгерметиза ции при моделировании аварийной ситуации в ция твэлов и разрушение топливных таблеток с активной зоне быстрого реактора типа БРЕСТ-300 10% обогащением произошли вблизи максимума со свинцовым теплоносителем. мощности и энерговыделение в топливе продол В результате взаимодействия топлива с 10%- жалось еще в течение ~0,5 с.

ным обогащением по 235U с теплоносителем про- Фрагменты топливных таблеток не обладают изошла глубокая фрагментация двух топливных достаточной энергией для того, чтобы разрушить втулок с образованием частиц от 10 до 120 мкм в оболочки соседних твэлов в тепловыделяющей поперечнике. В связи с тем, что температура мо- сборке.

нонитрида урана в процессе испытаний в пуске Анализируя полученные результаты можно 117Ф5 была близка к температуре плавления сделать вывод о том, что накопленный в описы (~3100 К), происходило локальное кипение свин- ваемом эксперименте опыт позволит более тща ца вблизи топливных фрагментов и на поверхно- тельно подготовить и спланировать последующие сти неразрушенных топливных втулок. Как пока- эксперименты с модельными твэлами типа зывают оценки, удельная поверхность взаимодей- БРЕСТ-300.

ствия “топливо–теплоноситель” увеличивается в «АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА И БЕЗОПАСНОСТЬ АЭС» выпуск 1, январь УДК 621.039.526: 621.039. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВОДОРОДА И ЕГО ИЗОТОПОВ С ОБЛУЧЕННЫМ БЕРИЛЛИЕМ Тажибаева И.Л.1), Шестаков В.П.1), Клепиков А.Х.1), Романенко О.Г.1), Чихрай Е.В.1), Кенжин Е.А.2), Зверев В.В.2), Колбаенков А.Н.2) 1) НИИЭТФ КазГУ, Алматы 2) Институт атомной энергии В работе представлены результаты экспериментов по определению параметров накопления и газовыделения водорода и его изотопов из облученного бериллия. Облучение проводили в различных средах и температу рах на реакторах РА и ИВГ.1М. Измерения проводили методом термодесорбционной спектроскопии. Рас считано газовыделение водорода из образцов бериллия, насыщенных в различных условиях. Обнаружена зависимость характера удержания водорода в бериллии от ориентации зерен в образце, температуры и ин тенсивности облучения.

(Казахстан). Образцы имеют вид цилиндров диа Введение Бериллий является одним из перспективных метром 3 мм и длиной 55 мм. Состав образца по материалов, контактирующих с плазмой, для об- данным завода-изготовителя приведен в табли лицовки первой стенки и дивертора ITER. Про- це 1.

блема взаимодействия бериллия с тритием, со- Цель исследования состояла в получении экс держащимся в плазме, представляет особый инте- периментальных данных по параметрам удержа рес с точки зрения вопросов безопасности и явля- ния и накопления водорода в бериллии в среде ется предметом тщательного изучения. изотопов водорода в процессе облучения мате Одним из условий, характерных для работы риала на реакторах ИВГ-1М и РА.

реактора синтеза, является наличие нейтронного Условия облучения образцов представлены в и -потока, а взаимодействие бериллия с изотопа- таблице 2.

ми водорода в поле такого излучения представля ет научный и практический интерес. Обычной Таблица 1. Химический состав технических сор методикой является проведение экспериментов на тов бериллия ГХК “Ульба”, в весовых % по дан образцах бериллия, предварительно облученных ным завода-изготовителя до различных флюенсов. Нами уже были произ ведены эксперименты, показавшие, что результа- Бериллий 98.5... 98. ты, полученные для одного сорта бериллия, на- Кислород (оксид бериллия) 0.8... 1.0 (1.28... 1.6) сыщенные в атмосфере изотопов водорода в про- Алюминий 0.025... 0. цессе облучения, сильно отличаются от результа- Углерод 0.075... 0. Хром 0.045... 0. тов, полученных для образцов бериллия, насы Медь 0.004... 0. щавшихся без облучения и после облучения до Железо 0.015... 0. того же самого флюенса.

Магний 0.005... 0. В данной работе приведены результаты экспе Марганец 0.025... 0. риментов, показавшие, что на процесс взаимодей Никель 0.025... 0. ствия изотопов водорода с бериллием оказывает Кремний 0.015... 0. значительное влияние спектр и интенсивность излучения реактора.

Объект исследования – бериллий ТВ-56, про изводства Ульбинского металлургического завода Таблица 2. Условия облучения образцов бериллия.

Тип реактора Время Среда Флюенс по быст- Флюенс по тепловым Общий флюенс, нейтронам, н/см2 н/см облучения облучения рым нейтронам, н/см 0,551018 3,11018 3, ИВГ.1М 6 часов водород 51018 1,51017 5, РА 50 часов дейтерий ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВОДОРОДА И ЕГО ИЗОТОПОВ С ОБЛУЧЕННЫМ БЕРИЛЛИЕМ Параметр А* зависит от предполагаемого ме Методика проведения эксперимента ханизма газовыделения и выбора характеристиче и обработки данных ской температуры Т*.

Если брать Т* = Tm и A* = Аm, то для десорбци Методика термодесорбционного экспери мента онного процесса первого порядка Аm =1/(1k), для После размещения в камере эксперименталь- десорбционного процесса второго порядка ной установки образца бериллия с прикрепленной Аm=1/(2kN0), для газовыделения, лимитируемого к нему хромель-алюмелевой термопарой, уста- диффузией водорода Аm =Rp2/(2D0Fmk), где 1,с- новка откачивалась механическим насосом с и 2, см2с-1 – предэкспоненциальные множители в азотной ловушкой в течение 1,5 часов до давле- коэффициентах десорбции, N0,см-2 – начальная ния остаточных газов 110-1 Па при одновремен- поверхностная концентрация атомов водорода;

Rp2, см – радиус цилиндрического образца;

D0, ном нагреве рабочей камеры наружным нагрева см2с-1 – предэкспоненциальный множитель коэф телем до температуры 150oС, а исследуемого об фициента диффузии;

Fm – безразмерный пара разца - до 100oС. После этого откачка осуществ- метр, зависящий от распределения водорода по лялась "черновым" магниторазрядным насосом объему образца.

НМД-0,25 и дополнительно производился отжиг Для вычисления параметра А используют зна омегатронного датчика РМО-13 при Т=250oС при чения для 1 1013-1015с-1, а для 2, и D0 10-2...100, cм2с-1. Для устранения неопреде давлении остаточных газов 510-4 Па в течение ленностей, связанных с вычислением параметра часа. Затем производили переключение откачки А, нужно проводить термодесорбционные экспе на "чистовой" насос НМД-0,4 с одновременным рименты при различных скоростях нагрева и вос отключением нагрева камеры. Через 0,5 часа от пользоваться тем, что зависимость функции ключался нагрев омегатрона и после охлаждения L*=ln(aT*) от Т-1 является линейной. Тогда, по его и рабочей камеры до комнатной температуры строив график такой зависимости, можно по на остаточное давление в рабочей камере составляло 510-7 Па. В рабочую камеру и на токовводы по- клону ее вычислить ЕТ, не вводя никаких предпо ложений о механизме газовыделения. Совпадение давалась охлаждающая вода с температурой 12 значений энергий активации, полученных для 14oС. Для изучения газовыделения исследуемых различных участков термодесорбционной кривой, образцов использовался метод термодесорбцион будет свидетельствовать о том, что газовыделение ной спектроскопии в режиме линейного нагрева.

осуществляется действительно посредством од Измерение газовыделения из образцов бериллия ного процесса.

производилось с использованием специально раз работанного программно-управляемого генерато Результаты экспериментов ра частоты (ПУГ-1) по трем основным газам (H2, D2, DH). После установления рабочего вакуума Зависимость удержания водорода от ориен (Р=10-7 Па), проводилась настройка омегатронно- тации зерен го масс-спектрометра на необходимые массовые Исследования, проведенные на исходных об пики и запуск управляющей программы "NGR" разцах бериллия без какой либо предварительной по измерению газовыделения, работающей с из- обработки, показали, что газовыделение водорода мерительно-вычислительным комплексом из образцов, вырезанных вдоль оси выдавлива "MERA-660-CAMAC". ния, больше, чем для образцов, вырезанных попе рек (рис.1). Эта разница особенно заметна для Методика обработки данных низкотемпературного интервала (T1000K) и вы Одним из основных параметров, характери ражается в большем газовыделении для образцов, зующих газовыделение, является энергия актива вырезанных вдоль, по сравнению с образцами, ции процесса. Обычно энергию активации вычис вырезанными в другом направлении.

ляют по положению характерных точек на кривой Ту же картину можно наблюдать и для образ газовыделения, например, по Тm, при которой цов, облученных на реакторе “РА”, рис. 3-6. Сле достигается максимум потока газа из образца. Для дует принимать во внимание, что насыщение об случая линейного увеличения температуры на разцов в этом случае производилось в среде дей грева образца получены формулы, связывающие терия – изотопа водорода, который в природе энергию активации газовыделения ЕТ, эВ, и ха встречается по отношению к водороду приблизи рактеристическую температуру Т*, К, в пределах тельно как 1:100, поэтому он практически не при пика газовыделения. Показано, все формулы сутствует на спектрах образцов облученных на можно записать в виде универсального соотно реакторе ИВГ.1М. Поэтому газовыделение из шения:

данных образцов соответствует количеству дей A* EТ T*2 = exp( EТ / kT ), терия, попавшему в образец именно во время на где - скорость нагрева, К/с;

k = 8,62 10-5 эВ/К. сыщения, без фонового вклада водорода, содер жащегося в образцах изначально. Спектры пока зывают, что газовыделение из образцов этой се ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВОДОРОДА И ЕГО ИЗОТОПОВ С ОБЛУЧЕННЫМ БЕРИЛЛИЕМ 2.0x рии также больше у образцов, вырезанных вдоль оси выдавливания (рис. 3 и 5). D2 - 9.45 appm DH - 6.80 appm 2.0x 1.5x, 1/,, 65 appm / D,, 43.2 appm,.

1.5x1014,, 50.0 appm 1.0x =20K/ 1.0x, 5.0x, =20K/ 5.0x 0. 200 400 600 800 1000 0., K Рис.4. Типичные спектры газовыделения водоро -5.0x1013 да из “продольных” образцов бериллия ТВ-56, 200 400 600 800 1000 облученных в реакторе РА.

, K Рис. 1. Типичные спектры газовыделения водоро- 1.0x10 да из образцов бериллия ТВ-56, вырезанных D 2 - 5.76 appm вдоль и поперек оси прессования и травленого до, 1/ DH - 5.28 appm 8.0x10 диаметра 2.6 мм.

2.0x10 14 6.0x10, H2, 104.8 appm =20K/, 50 appm 4.0x10 1.5x10 N2,, H2, 46,6 appm, D2, =20K/, 1/ 2.0x 1.0x10 0. 5.0x10 13 200 400 600 800 1000, K 0. Рис.5. Типичные спектры газовыделения водоро да из контрольных “поперечных” образцов бе риллия ТВ-56.

-5.0x10 200 400 600 800 1000 1.0x10, K DH - 4.89 appm D 2 - 5.28 appm 8.0x10 Рис. 2. Типичные спектры газовыделения водоро, 1/ да из образцов бериллия марки ТВ-56, подвергну 6.0x10 тых различной обработке при Т=1150 К (на реак торе ИВГ.1М и контрольные).

4.0x10 2.0x, 1/ D2 - 9.21 appm 2.0x10 DH - 8.00 appm =20K/ D 1.5x,, 0., D 1.0x 200 400 600 800 1000, K 5.0x Рис.6. Типичные спектры газовыделения водоро =20K/ да из “поперечных” образцов бериллия ТВ-56, 0. облученных в реакторе РА.

Для того, чтобы проверить влияние поверхно 200 400 600 800 1000, K стного слоя на процесс удержания водорода, бы ли проведены эксперименты с исходными кон Рис.3. Типичные спектры газовыделения водоро трольными образцами бериллия, протравленными да из “продольных” контрольных образцов бе в 20% серной кислоте (диаметр уменьшался до риллия ТВ-56.

2,6 мм). Спектры на рис. 1 показывают, что газо выделение водорода из протравленных образцов меньше, чем для исходных. Разница в газовыде ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВОДОРОДА И ЕГО ИЗОТОПОВ С ОБЛУЧЕННЫМ БЕРИЛЛИЕМ лении присутствует для низкотемпературной об- ми как спектр излучения и его интенсивность.

ласти термодесорбционного спектра, (T 1000K), Такой сравнительный эксперимент был проведен ясно показывая влияние приповерхностного слоя. на реакторе РА.

Можно сделать вывод, что значительное количе- Результаты экспериментов, приведенные на ство водорода удерживается в приповерхностной рис.1-6 и табл. 3 и 4, показывают сильное отличие области образца. Следует отметить, что, согласно в результатах экспериментов для образцов, облу большинству литературных данных, раствори- ченных в разных реакторах. Накопление дейтерия мость водорода в бериллии и его оксиде очень в образцах из реактора РА приблизительно в низка, поэтому большие концентрации водорода в раз меньше для образцов, вырезанных поперек, исходных образцах бериллия, видимо, следует чем для подобных же образцов из реактора приписывать водороду, попавшему в образец в ИВГ.1М.

результате процесса изготовления, т.е. компакти- Подобное отличие в газовыделении, особенно рования из порошка. Это хорошо заметно на об- с учетом значительно большего времени насыще разцах, насыщавшихся в дейтерии, газовыделение ния при той же температуре, говорит о зависимо из них значительно ниже по дейтерию и DH, хотя сти удержания изотопов водорода от параметров газовыделение по водороду того же порядка, что облучения.

и из образцов, насыщавшихся в водороде. Вероятным механизмом роста окисной пленки может являться протекание химических реакции Зависимость удержания водорода от пара образования BeO, Be(H) и Be(OH) под воздейст метров облучения вием облучения в среде водорода в несколько Проведенные эксперименты не показали зна стадий: распад оксида бериллия под воздействием чительной разницы в газовыделении образцов, облучения – соединение кислорода с бериллием насыщенных водородом в процессе реакторного из объема металла – взаимодействие бериллия с облучения при 920К по сравнению с контрольны кислородом и водородом из молекулярной фазы ми. Термодесорбционные спектры для них не над поверхностью образца. Этот процесс может приведены в данной работе.

привести к росту оксидной пленки, обогащенной Заметная разница в газовыделении водорода гидроксидом и гидридом бериллия.

видна только для образцов, насыщенных водоро Рост слоя окиси бериллия (BeO) на облучен дом в процессе облучения при Т=1150К (рис.2).

ных образцах подтверждается данными электрон Исследование взаимодействия водорода с бе но-микроскопических исследований риллием под воздействием облучения проводится Количество выделившегося водорода из об на реакторах деления, спектр излучения которых разцов бериллия, рассчитанное по спектрам газо сильно отличается от расчетного спектра реакто выделения в интервале температур 300...1200К, ра синтеза ITER. В связи с этим было желательно представлено в таблицах 3, 4 и на рис. 1-6.

проведение экспериментов, позволяющих найти корреляции между параметрами облучения, таки Таблица 3. Количество выделившегося водорода, рассчитанное по спектрам газовыделения в интервале 300...1200 K (образцы, облучавшиеся на реакторе ИВГ.1М и контрольные).

Выделившееся количество Тип обработки образца бериллия водорода, молекул/см 1. Исходный образец, вырезанный вдоль оси выдавливания 1. Исходный образец, вырезанный поперек оси выдавливания 1. Протравленный образец, конечный диаметр 2,6 мм 1. Образец, облученный в азоте, T=920K 1. Образец, облученный в водороде, T=920K 2. Образец, облученный в водороде, T=1150 K 1. Образец, насыщенный в водороде, T=1150 K, после облучения в азоте Таблица 4. Количество выделившегося дейтерия, рассчитанное по спектрам газовыделения в интервале 300...1200 K (образцы, облучавшиеся на реакторе РА и контрольные).

Выделившееся количество дейтерия, молекул/см Тип обработки образца бериллия Образцы, вырезанные поперек 0. облученные D DH 0. 0. необлученные D DH 0. Образцы, вырезанные вдоль 0. облученные D 0. DH 0. необлученные D 0. DH ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВОДОРОДА И ЕГО ИЗОТОПОВ С ОБЛУЧЕННЫМ БЕРИЛЛИЕМ личества с одновременным их распространением Обсуждение результатов в объем образца.

В соответствии с литературными данными по Можно сделать предположение, что широкий взаимодействию водорода с бериллием, раство пик при температуре порядка 800К связан с влия римость водорода в бериллии чрезвычайно низ нием границ зерен, из-за различия его интенсив кая. Удержание водорода происходит, главным ности у образцов бериллия, вырезанных с различ образом, благодаря захвату в пустоты, дефекты ной ориентацией относительно оси выдавлива решетки и в химические ловушки. Обработка по ния. Зерна бериллия в данном сорте бериллия лученных данных для низкотемпературного раз (ТВ-56) имеют размер приблизительно 12х двоенного пика (460К и 540К) для облученного в микрон и, в результате выдавливания, имеют чет водороде образца, по методике, описанной в ра ко выраженную текстуру с преимущественной боте [1], дает значения энергий активации де ориентацией зерен поперек оси выдавливания.

сорбции второго порядка 0,71 эВ/атом и 0, Следовательно, относительная протяженность эВ/атом, соответственно. Более того, поскольку границ зерен, выходящих на поверхность образца, термодесорбционный пик в области 500К вызван, в 1.5 - 2 раза больше для образца, вырезанного очевидно, процессами десорбции с поверхности, вдоль этой оси, чем для образца, вырезанного то резкое возрастание интенсивности термоде поперек.

сорбционных пиков для образца, насыщенного Образцы, облученные на реакторе РА, не по водородом при 1150К в процессе реакторного казали такого сильного эффекта насыщения, как облучения является следствием увеличения коли образцы, облученные на реакторе ИВГ.1М. Важ чества адсорбционных центров.

ным фактом является то, что время насыщения Можно предположить, что при одновремен образцов на реакторе РА, превосходило время ном воздействии водорода и реакторного облуче насыщения на реакторе ИВГ.1М почти в 10 раз ния при данной температуре, образуется сетка (50 часов и 6 часов) при одной и той же темпера микротрещин, расположенная преимущественно туре насыщения. Это явно показывает, что эф по границам зерен в направлении от поверхности фект не может быть объяснен простым термиче в объем. Это приводит к росту эффективной по ским насыщением или его ускорением под влия верхности бериллия. Необходимо отметить, что нием облучения, а является синергетическим, это предположение, появившееся из анализа дан присущим только совместному воздействию из ных термодесорбционного эксперимента, затем лучения, причем определенного спектра и интен получило подтверждение после проведения ис сивности и экспозиции в водороде.

следования поверхности образцов с использова Следует отметить, что максимумы всех пиков, нием электронной микроскопии. Получено, что присутствующих на термодесорбционных спек для образцов, подвергнутых экспозиции в водо трах образцов из реактора РА, находятся прибли роде при воздействии реакторного облучения, зительно на тех же самых температурах, что и для данные электронной микроскопии показывают образцов, облученных на реакторе ИВГ.1М.

растрескивание поверхности, чего не наблюдает Энергии активации десорбции и диффузии, рас ся ни для каких других образцов бериллия.

считанные по ним, совпадают с точностью до Анализ литературных данных показывает, что ошибки эксперимента.

возникновение этих пиков можно приписать воз никновению и последующему распаду химиче- Заключение ских соединений, таких как аморфный оксид бе- Проведены эксперименты по насыщению об риллия [2] из-за близости температуры его распа- разцов бериллия изотопами водорода на реакто да (400К) и температуры максимума первого пика рах “ИВГ.1М” и “РА”. Проведена термическая на термодесорбционных кривых (440К), а также обработка контрольных образцов в среде изото гидроксида бериллия, по данным работы [3], из-за пов водорода без облучения.

подобия его энергии активации - 0.8 эВ - энергии Проведены эксперименты по термодесорбции активации, рассчитанной в нашем эксперименте. в режиме линейного нагрева из контрольных и В экспериментах с протравленными образца- облученных образцов бериллия. Данные экспери ми пик при 1100К практически отсутствует, что ментов показали:

газовыделение из образцов в интервале темпе говорит о поверхностном характере насыщения образца. По данным, представленным заводом ратур 300...1200К зависит от направления, в изготовителем образцов, после их механической котором вырезан образец, по отношению к оси обработки, поверхность образцов покрывается выдавливания;

сеткой трещин глубиной до 0.2 мм, т.е. именно до замечен эффект совместного воздействия экс глубины травления в наших экспериментах. Так позиции в водороде и реакторного облучения, как пик при 1100К присутствует практически на причем эффект существует только для облу всех термодесорбционных спектрах, можно сде- чения спектром более высокой интенсивности;

лать вывод, что микротрещины присутствуют на показано, что за газовыделение отвечает срав всех образцах (как результат механической обра- нительно тонкий поверхностный слой берил ботки). Облучение в среде водорода в процессе лиевых образцов;

реакторного облучения приводит к росту их ко ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВОДОРОДА И ЕГО ИЗОТОПОВ С ОБЛУЧЕННЫМ БЕРИЛЛИЕМ сделаны предположения о механизмах, ответ ственных за появление термодесорбционных пиков, вычислены энергии активации процес сов дегазации и диффузии.

полученные расчетные значения сравнены с литературными данными, найдена хорошая корреляция с данными других авторов.

Литература 1. Писарев А.А., Бандурко В.В., Цыплаков В.Н. Определение энергии активации газовыделения ионно внедренного дейтерия из нержавеющей стали, - ж. Атомная энергия, 1987 г., т.62, вып.1, с.28-30.

2. K.L.Wilson, R.Bastars, R.A.Causey et.al. Trapping, detrapping and release of implanted hydrogen isotopes, “Atomic and Plasma Material Interaction Data for Fusion,” Supplement to J. Nuclear Fusion, v.1, 3. G.R.Longhurst,”Tritium behavior in ITER beryllium”, EGG-FSP-9304, 4. E.Abramov, M.P.Riehm, D.A.Thompson, and W.W.Smeltzer, “Deuterium permeation and diffusion in high pu rity beryllium”, J. Nucl.Mater, 175, 90-95, 1990.

«АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА И БЕЗОПАСНОСТЬ АЭС» выпуск 1, январь УДК 621.039.526: 621.039. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ ВОДОРОДА ИЗ ОБЛУЧЕННОГО БЕРИЛЛИЯ Тажибаева И.Л.1), Шестаков В.П.1), Клепиков А.Х.1), Романенко О.Г.1), Чихрай Е.В.1), Кенжин Е.А.2), Зверев В.В.2) 1) НИИЭТФ КазГУ, Алматы, 2) Институт атомной энергии Проведен анализ и моделирование процессов газовыделения водорода из бериллия, облученного в различ ных условиях на реакторах ИВГ.1М и РА. Рассчитаны энергии активации газовыделения. Показано, что концентрация водорода в окисной пленке бериллия, которая растет в процессе облучения в среде водорода на реакторе ИВГ.1М, значительно превышает равновесную. Предполагается, что за наблюдаемые эффекты ответственны гамма излучение и тепловые нейтроны.

Коэффициенты диффузии водорода в Ве и Введение ВеО, полученные в результате моделирования Анализ литературных данных показывает за высокотемпературного пика (Рис.2, Tпика1100K) висимость параметров взаимодействия водорода с с использованием значений: DBe=310-7exp(- бериллием, где всегда присутствует окисная [м2/сек], DBeO=810-5exp(- кДж/моль) пленка на поверхности, от состояния поверхности кДж/моль) [м /сек], несколько выходят за интер этого материала. Во многих случаях влияние этой вал значений, полученных различными авторами поверхностной пленки является определяющим, [2-6].

поэтому описание ее поведения при различных условиях необходимо для правильного понима ния процессов взаимодействия изотопов водорода Скорость газовыделения, отн.ед.

с бериллием. Macaulay-Newcombe, D Keroak et al., D Моделирование экспериментальных дан- Jones and Gibson, T ных по газовыделению Abramov, T Все экспериментальные результаты, приве- BETTY денные в данной работе, представлены для марки бериллия ТВ-56, производства Ульбинского ме таллургического завода, Казахстан. Плотность бериллия 1,854 г/см3 (100% теоретической).

В наших экспериментах было получено, что насыщение водородом при температуре 1150К в реакторе ИВГ.1М (время облучения - 6 часов, 200 400 600 800 1000 1200 1400 давление водорода 105 Па) существенно больше Температура, K по сравнению с контрольными образцами, насы Рис. 1. Результат моделирования пика газовыде щенными при тех же условиях вне реактора и ления по диффузионному механизму с использо насыщенными после облучения в среде азота [1].

ванием данных различных авторов из образца Анализ экспериментальных результатов по бериллия 3мм.

измерениям коэффициентов диффузии водорода в поликристаллическом бериллии и оксиде берил лия и проведенное численное моделирование га Количество водорода, выделившееся из образ зовыделения изотопов водорода из цилиндриче ца только по диффузионному механизму, превы ского образца бериллия 3 мм с оксидной плен шает равновесную растворимость водорода в бе кой на поверхности l=5 нм, с использованием ме риллии при наших условиях насыщения (Т= тода фитирования экспериментальной кривой, К, Р=105 Па), если использовать данные по рас показали, что только высокотемпературный пик творимости водорода в Be из работы [7]. Это на спектре термодесорбции может быть описан в предполагает изначально высокую концентрацию рамках механизма диффузии из объема образца.

водорода в бериллии, полученную в процессе его На рис. 1 приведены результаты такого модели изготовления. Все остальные пики, на более низ рования с использованием значений коэффициен ких температурах, не могут быть промоделирова тов диффузии водорода в Be и BeO из имеющего ны с использованием диффузионного механизма, ся у нас банка экспериментальных данных раз при использовании известных значений для ко личных авторов [2-7].

эффициентов диффузии в Be и BeO, а следова МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ ВОДОРОДА ИЗ ОБЛУЧЕННОГО БЕРИЛЛИЯ тельно, для их корректного описания следует ис- Если для первых двух пиков можно найти в пользовать другие механизмы. Все эти пики мож- литературе объяснения, связанные с энергиями но описать в рамках модели десорбции по второ- развала соединений типа Be(H), Be(OH), то для му порядку химической кинетики, при этом поток пиков 3, 4, 5 маловероятным кажется существо десорбирующихся частиц, обычно записывается вание на поверхности BeO ловушек с такими как: энергиями связи. Поэтому мы предполагаем, что для первых двух пиков имеет место рекомбина 2 E des ция двух атомов водорода, находящихся на по = kN, (1) J = N 2a 2 exp kT верхности, а для пиков 3, 4, 5 рекомбинация про исходит между атомом, находящемся на поверх где: ности (в адсорбированном состоянии) и атомом, находящемся в приповерхностной области (аб k – коэффициент рекомбинации (см2с-1);

сорбированное состояние), причем атом может N – концентрация частиц на поверхности (час находиться в местах с различными энергиями тиц/см2);

связи. При таком процессе поток десорбирую – частота колебания атома на поверхности щихся атомов записывается в виде (1013 с-1);

a – параметр решетки (2.710-8 см);

E + E b s, (2) J = N C a 3 exp des Edes – энергия активации десорбции, как правило kT равная разности энергии активации адсорбции и теплоты хемосорбции.

где C -концентрация частиц в приповерхностном Все частотные множители в коэффициенте ре- слое, частиц/см3, Eb-s - энергия активации перехо комбинации взяты равными 7.310-3 см2/сек, по- да объем-поверхность и, при этом, если считать, скольку в выражении для потока они записыва- что в приповерхностной области находится такая ются как a2. же концентрация абсорбированных атомов водо рода в пересчете на атом/см2, что и на поверхно На рис. 2 показан результат такого моделиро вания, в котором высокотемпературный шестой сти, то моделирование потока газовыделения по пик описан диффузионным механизмом. Энергии данному механизму можно проводить по выра активации дегазации остальных пиков, приведен- жению (1).

ные ранее в работе [8] с использованием модели При указанных допущениях изменяется десорбции по второму порядку, уточнены и при- смысл, вкладываемый в энергию активации про ведены в Таблице 1. цесса рекомбинации. Если для первых двух пиков эта величина представляет собой удвоенную энергию десорбции, то для данных трех пиков 2.0x101 Скорость газовыделения, мол/см 2сек этой величиной является сумма энергии актива эксперимент ции десорбции и энергии активации выхода атома теор. кривая водорода на поверхность. Здесь мы делаем пред 1.5x101 положение, что в ходе роста окисной пленки в среде водорода под воздействием реакторного облучения происходит образование окисла с кон 1.0x101 центрациями в нем водорода, существенно пре вышающими равновесную [7]. Данные, получен ные в эксперименте на реакторе ИВГ.1М, показы 5.0x101 вающие увеличение удержания водорода, под тверждают возможность существования такого механизма.


0. 200 400 600 800 1000 Следует отметить, что подобный эффект не на Температура, K блюдается для образцов, облученных на реакторе Рис.2. Спектр газовыделения водорода из образ РА, реакторе с меньшей интенсивностью потока, цов бериллия, насыщенных при Т=1150К в тече т.е. газовыделение практически одинаково и для ние 6 часов в реакторе ИВГ.1М и теоретическая облученных и для необлученных образцов. Для кривая, полученная моделированием.

подтверждения того, что основную роль в удер жании водорода играет приповерхностная область образца, насыщение проводилось в атмосфере Таблица 1. Энергии активации газовыделения для дейтерия, при том же давлении и температуре ТДС кривой (рис. 2).

(T=1150K, время насыщения 50 часов, давление дейтерия 105 Па). Как хорошо видно, газовыделе Номер пика 1 2 3 4 ние в высокотемпературной области, ответствен Е, эВ/атом 0.65 0.78 0.99 1.17 1. ной за диффузию из объема, имеет низкую интен сивность. Спектры газовыделения представлены на рис. 3 и 4.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ ВОДОРОДА ИЗ ОБЛУЧЕННОГО БЕРИЛЛИЯ иному механизму. Видно, что 6-й пик, которому приписан диффузионный механизм газовыделе 1.0x101 Скорость газовыделения, мол./см 2сек ния, не сдвигается с уменьшением количества эксперимент выделяющегося газа, в то время как остальные 8.0x101 2 теор. кривая пики смещаются при этом в сторону больших температур. Как видно из рис 2–4, газовыделение 6.0x101 из образцов, облученных в реакторе РА, на поря док меньше газовыделения из образцов, облучен 4.0x101 ных в реакторе ИВГ.1М, даже принимая во вни мание большее время облучения, больший флю 2.0x101 енс и такую же температуру облучения.

Поскольку суммарное количество десорби рующих молекул составляет порядка 1017мол./см 0. 200 400 600 800 1000 и 1016мол./см2, для образцов, насыщенных в реак Температура, K торах ИВГ.1М и РА, соответственно, было сдела но предположение о различной степени развито Рис.3. Спектр газовыделения водорода из образ сти поверхности этих образцов. Поверхность об цов бериллия, насыщенных при Т=1150К в тече разцов развивается, по-видимому, во время их ние 50 часов атмосфере дейтерия без облучения и нагревания или остывания, как результат растрес теоретическая кривая, полученная моделировани кивания пленки BeO на поверхности. Если для ем.

оценки напряжений, возникающих в окисной пленке на поверхности образца, использовать вы ражение, полученное в работе [9] с некоторыми 1.0x101 Скорость газовыделения, мол./см2сек упрощениями, то можно записать:

эксперимент 8.0x101 ( BeO Be ) T E BeO E Be теор. кривая, (3) = h (1 µ BeO ) E Be BeO (1 µ Be ) E BeO 6.0x101 hBe 4.0x101 где - напряжение, возникающее в BeO при из менении температуры на T, µBeO, µBe и BeO, Be 2.0x101 коэффициенты Пуассона и коэффициенты терми ческого расширения для BeO и Be, соответствен 0. 200 400 600 800 1000 но, EBeO, EBe - их модули упругости и hBeO, hBe Температура, K толщина окисла и радиус бериллиевого образца, соответственно.

Рис.4. Спектр газовыделения водорода из образ- Образцы имеют цилиндрическую форму, но, цов бериллия, насыщенных при Т=1150К в тече- принимая во внимание, что hBeO/hBe0.1, то ради ние 50 часов в реакторе РА и теоретическая кри- альными составляющими напряжения можно вая, полученная моделированием. пренебречь, т.е. не учитывать искривление по верхности и использовать выражение (3).

При подстановке значений: Be=1.610-5 1/K, Таблица 2. Энергии активации газовыделения BeO=9.410-6 1/K;

µBeO =0.18, µBe=0.07;

EBeO= для ТДС кривой (рис. 3).

ГПа, EВe=243 ГПа;

hBeO =5 нм, hBe=1.510-3м, по лучается, что уже при нагревании образца до Номер пика 1 2 3 4 573...673 K в окисной пленке возникают напряже Е, эВ/атом 0.72 0.9 0.99 1.14 1. ния, =0.9...1.2 ГПа, превышающие пределы прочности оксида бериллия на сжатие 0.5...1. ГПа [10] при этих температурах. Следовательно, Таблица 3. Энергии активации газовыделения для можно предположить, что и при нагревании об ТДС кривой (рис. 4). разцов до нашей температуры насыщения и при последующем охлаждении образцов поверхност Номер пика 1 2 3 4 ная пленка, образующаяся при данных условиях, Е, эВ/атом 0.79 0.95 1.08 1.18 1.3 растрескивается. При этом, в зависимости от ус ловий, в которых была выращена окисная пленка, изменяется ее структура, механические свойства и, соответственно, характер ее разрушения. Это Как видно из данных экспериментальных ре приводит к различной степени развитости по зультатов, энергии активации десорбции остают верхности у образцов, подвергнувшихся насыще ся практически неизменными, изменяется лишь нию в реакторах с различными спектрами облу количество атомов, выделившихся по тому или МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ ВОДОРОДА ИЗ ОБЛУЧЕННОГО БЕРИЛЛИЯ чения. Это предположение, изначально основан- сидного слоя и образование трещин на поверхно ное на данных термодесорбционной спектроско- сти образцов, облученных в реакторе ИВГ.1М, пии, было подтверждено результатами электрон- рис. 5.

ной микроскопии и рентгеноспектрального мик роанализа, которые показали активный рост ок Поверхность исходного образца Поверхность образца бериллия, Поверхность образца бериллия, бериллия облученного в атмосфере дейте- облученного в атмосфере водо рия в реакторе РА. рода в реакторе ИВГ.1М.

Рис. 5. Результаты электронно-микроскопических исследований образцов бериллия, облученных на различных реакторах и контрольных.

Из полученных данных следует, что при на- концентрацией водорода. При облучении твердо сыщении образцов бериллия в реакторе ИВГ.1М го тела большая часть вакансий и междоузельных окисная пленка растет с концентрацией водорода, атомов, которые созданы частицами с высокой превышающей равновесную, чего не происходит энергией, аннигилируют, в результате процесса при насыщении в реакторе РА или без облучения. рекомбинации с соседними дефектами противо Механизмы этого явления не вполне ясны, т. к. положного типа, или же становятся малоподвиж число дефектов, образующихся в единицу време- ными при захвате в кластер подобных же дефек ни в единице объема материала в обоих реакторах тов. В результате только часть общего числа ра приблизительно одинаково (1.810-8 dpa/сек и диационных дефектов, остается свободной и спо собна мигрировать на значительные расстояния, 1.610-8dpa/сек), флюенс по быстрым нейтронам т.е. расстояния, превышающие размер первичного и, соответственно, общее число dpa больше для каскада. Многие важные изменения свойств мате реактора РА, единственное отличие облучатель риалов, происходящие в условиях реакторного ных характеристик двух этих реакторов – разница облучения, связаны именно с этой частью общего в потоке гамма-квантов и тепловых нейтронов, числа дефектов. В частности, они ответственны за (табл. 4). Эта часть спектра, согласно литератур свеллинг, радиационно-стимулированную сегре ным данным, ответственна за формирование так гацию, радиационно-стимулированную диффу называемых свободно мигрирующих дефектов зию и радиационное охрупчивание.

[11], которые, по видимому, играют ключевую роль в формировании оксидной пленки с высокой Таблица 4. Облучательные характеристики использованных реакторов.

Облучательные характеристики ИВГ.1М РА 1.Тепловая мощность, МВт 6,0 0. 2.Поток нейтронов, н/см2с 2,21013 2, быстрых (0,1 МэВ E 15 МэВ) 1,01014 2, тепловых (Е 0,67 эВ) 7,31013 6, 3.Поток -квантов 4.Время проведения одного эксперимента, ч 6 5.Нейтронный флюенс за один эксперимент, н/см 4,81017 5, быстрых (0,1 МэВ E 15 МэВ) 2,21018 3, тепловых (Е 0,67 эВ) 1,61018 1, 6.Флюенс -квантов за один эксперимент МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ ВОДОРОДА ИЗ ОБЛУЧЕННОГО БЕРИЛЛИЯ Проведенные эксперименты показали, что Сделано предположение, что в процессе облу воздействие реакторного излучения на процесс чения на реакторе ИВГ.1М окисная пленка в про взаимодействия молекулярного водорода (дейте- цессе облучения растет при концентрации водо рия) с бериллием выражается в образовании ано- рода, значительно превышающей равновесную.

мально высокой концентрации водорода в по- Показано, что наблюдаемое развитие поверх верхностной пленке оксида бериллия в исследуе- ности образцов может объясняться растрескива мых образцах. нием окисной пленки из-за возникающих в ней внутренних напряжений при изменении темпера Заключение туры на несколько сотен градусов. При этом ус Проведен анализ ранее полученных спектров ловия роста пленки окисла могут определять кон газовыделения для образцов, насыщенных в H2 и центрацию в ней водорода, и соответственно, ха D2 при T=1150K, P=105 Pa в двух различных реак рактер ее разрушения.

торах, с различными спектрами излучения.

Сделано предположение, что за наблюдаемые Рассчитаны энергии активации газовыделения, эффекты ответственны гамма-излучение и тепло исходя из предположения, что первые пять пиков вые нейтроны.

могут быть описаны десорбцией второго порядка, а шестой - объемной диффузией.

Литература 1. A. Kh. Klepikov et al., J. Nucl. Mater., 1996, v. 233-237, p. 837-840.

2. R.G.Macaulay-Newcombe, D.A.Thompson, ICFRM-6 Stresa, Italy, Sept./Oct., 1993.

3. D.Keroack et al., ICFRM-6 Stresa, Italy, Sept./Oct., 1993.

4. P.M.Jones and R.Gibson, J.Nucl.Mater. 21 (1967) 353.

5. E.A.Abramov et al., J.Nucl.Mater., 175 (1990) 90.

6. S.Cho et al., ICFRM-6 Stresa, Italy, Sept./Oct., 1993.

7. V.I.Shapovalov et al;

Doklady Akademii Nauk Ukr.SSR, ser.A, N6, 1988, 8. I.L.Tazhibaeva et al. J.Plasma devices and Operation, to be published.

9. C.O.Smith, Nucl. Sci. and Engin., 1957, N2, p.213-218.


10. R.O.Beliaev, Okis berilliia, Moskow, Atomizdat, 11. L.E.Rehn, J.Nucl.Mater. v. 174 (1990) p.144-150.

«АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА И БЕЗОПАСНОСТЬ АЭС» выпуск 1, январь УДК 621.039.526: 621.039. УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ БЕРИЛЛИЯ С ВОДЯНЫМ ПАРОМ Чехонадских А.М.1), Вурим А.Д.1), Васильев Ю.С.1), Пивоваров О.С.1), Шестаков В.П.2), Тажибаева И.Л.2), Морозов С.И.3) 1) Институт атомной энергии, 2) Научно-исследовательский институт экспериментальной и теоретической физики КазГУ 3) ITER JCT, San Diego ческим и нейтронно- физическим свойствам, для 1. Введение Управляемый термоядерный синтез рассмат- облицовки первой стенки (ПС).

ривается в настоящее время как один из основных Одна из проблем, которую необходимо ре источников энергии будущего. Наибольший про- шить при проведении ОКР, связана с использова гресс по управлению реакцией ядерного синтеза нием бериллия как материала облицовки ПС достигнут при работе на установках, в которых ИТЭР. Количество бериллия в вакуумном корпусе применяются магнитный и инерционный методы реактора ИТЭР, с учетом последних изменений в удержания плазмы. конструкции, приблизительно составляет Реактор ИТЭР (Рис. 1), работа над которым кг. Использование бериллия в ПС ИТЭР требует вступила в стадию ОКР, является установкой с от конструкторов серьезного внимания к обеспе магнитным удержанием плазмы в тороидальной чению безопасности с точки зрения потенциаль камере (токамак). Создание реактора ИТЭР и его ного риска большого выхода водорода в аварий опытная эксплуатация будут иметь неоценимое ных ситуациях из-за экзотермической реакции значение для развития фундаментальных иссле- бериллия ПС и водяного теплоносителя:

дований в области физики плазмы и уже сегодня Ве + Н2O ВеО + Н2 + 370 кДж/моль являются мощным стимулом для развития при Такая экзотермическая реакция бериллия с во кладных разработок в области высоких техноло дой и водяным паром может быть самоподдержи гий.

вающейся при повышенных температурах первой стенки. Точка зажигания (или начала этого про цесса) зависит как от температуры поверхности бериллия, так и температурного градиента внутри структуры ПС. Рассчитано, что при температуре плавления бериллия (1556 К) температурный гра диент более 400 К/см через ПС необходим, чтобы избежать самоподдерживающейся реакции бе риллия с паром при парциальном давлении водя ного пара 1 атм. Такая высокая температура по верхности бериллия и относительно маленькие температурные градиенты через медную подлож ку, которые соответствуют начальным условиям для самоподдерживающей химической реакции, могут быть реализованы в авариях с потерей рас хода (типа LOFA), потерей теплоносителя вне корпуса реактора (типа LOCA) с продолжающим ся горением плазмы, или с потерей герметичности Рис. 1 Общий вид реактора ИТЭР.

(доступ воздуха) (типа LOVA).

Для предсказания химических реакций пара Внутренняя поверхность вакуумной торои- или воздуха и бериллия во время аварий LOFA/ дальной камеры, в которой происходит управляе- LOCA/ LOVA в ИТЭР используются компьютер мая реакция ядерного синтеза, работает в услови- ные коды, чтобы качественно описать зависимо ях высоких тепловых нагрузок и ионизирующих сти типа “температуры / давления” для реакции.

излучений. К материалам облицовки внутренней Задачей является получение точного описания полости предъявляются высокие требования по распространения тепла, выделяемого в реакции, и радиационным и теплотехническим характери- его воздействия на структуры ИТЭР и атмосферу стикам. В качестве материалов облицовки в реак- внутри корпуса реактора и предсказание появле торе ИТЭР предполагается использовать вольф- ния водорода в случае реакций бериллия с паром.

рам, графит и бериллий. Бериллий рассматрива- Детальная оценка безопасности, выполненная ется в настоящее время как материал, наиболее Рабочей группой ИТЭР США при допущении пригодный по своим механическим, теплотехни- одновременного горения плазмы и развития ава УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ БЕРИЛЛИЯ С ВОДЯНЫМ ПАРОМ рии типа LOCA внутри корпуса реактора, пока- температуры поверхности и степени ее окис зывает, что ПС разогревается до температуры ления;

• определение зависимости параметров, харак плавления меди через 4 минуты после аварии LOCA вне корпуса, при этом возможно образова- теризующих интенсивность протекания реак ние 70 кг водорода. Чтобы ограничить образова- ции взаимодействия бериллия с водяным па ние Н2 до предела ниже 10 кг, необходимо обес- ром, от баланса тепла и распределения темпе печить гашение плазмы сразу же, как температура ратуры в модели первой стенки.

ПС достигает 930°С.

Окисление происходит в следующих услови В настоящее время представляет интерес вы ях. Водяной пар, с температурой 473 К, подается полнение экспериментов, для изучения аварий в вакуумную камеру на нагретый в вакууме обра ных ситуаций на моделях, которые дали бы воз зец. Давление пара в камере изменяется от на можность Центральной объединенной рабочей чального до предельного со скоростью 1… группе ИТЭР выполнить необходимое обоснова кПа/с. Характер взаимодействия пара с берилли ние вышеназванных компьютерных кодов по ем устанавливается по результатам измерения безопасности на основе соответствующих вход температуры экспериментальных образцов (или ных экспериментальных данных для химического элементов конструкции модели ПС) и скорости взаимодействия бериллия с паром и зависимостей образования водорода.

изменения параметров в ходе выше упомянутых Начальные условия экспериментов следую аварий.

щие:

По инициативе Казахстанской Дирекции про • среда в камере екта ИТЭР, Центральной объединенной рабочей • давление в камере н группой разработано техническое задание на про • температура стенки камеры ведение исследований – Task S 81 ТT 2096-07- FR, которое предусматривает следующий объем Изменяемые параметры в различных экспери работ: ментах принимают следующие значения:

1) облучение образцов бериллия;

• начальная температура поверхности берил 2) изготовление образцов бериллия и моделей лия…………………………………..673…1373 К;

первой стенки реактора ИТЭР;

• предельное давление водяного пара 3) эксперименты по измерению излучательной в камере……………………………..0.1, 0.2 МПа.

способности бериллия в широком диапазоне температуры и степени окисления поверхно- При испытаниях модели первой стенки требу сти;

ется обеспечить градиент температуры не менее 4) изучение поведения модели первой стенки в 100 К/см на слое бериллия и измерить температу аварийных условиях в среде водяного пара. ру материалов модели в переходном процессе.

Степень черноты поверхности образца после Выполнение работ по данному техническому окисления измеряется в вакууме.

заданию предусматривает следующую коопера цию внутри Казахстана: 3. Образцы для испытаний • АО УМЗ производит образцы бериллия для Схема образца, предназначенного для изуче ния излучательной способности бериллия (модель облучения в реакторе БН-350, модели ПС ре ЧТ), представлена на рис. 2. Образец представля актора ИТЭР и материаловедческие исследо ет собой диск толщиной 2 мм и диаметром 12 мм, вания необлученных образцов и моделей;

с центральным отверстием диаметром 2 мм. Диск • МАЭК производит облучение образцов берил изготовлен из плотного (плотность выше 99% лия в реакторе БН-350;

теоретической) или пористого (плотность 86.5%) • ИАЭ НЯЦ РК проводит эксперименты по изу бериллия.

чению взаимодействия водяного пара с берил лием и измерению степени черноты поверхно сти образцов;

• Дирекция проекта ИТЭР по Казахстану обес печивает координацию и общее руководство работ.

В статье представлено описание программы экспериментов, проводимых в ИАЭ НЯЦ РК в рамках Task S 81 ТT 2096-07-16 FR и конструк ции экспериментальной установки, созданной для проведения данных исследований. а) внешний вид б) схема 2. Цели и условия исследований Рис. 2 Модель черного тела.

Исследования, которые проводятся в ИАЭ НЯЦ РК, имеют следующие цели:

Образец представляет собой цилиндрическую • экспериментальное определение излучатель деталь, которая состоит из трех слоев - бериллия, ной способности бериллия в зависимости от УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ БЕРИЛЛИЯ С ВОДЯНЫМ ПАРОМ от 0 до 1 г/с. Контроль давления в вакуумной ка сплава на основе меди и нержавеющей стали.

мере и парогенераторе обеспечивается при помо Слои соединяются между собой высокотемпера щи контрольных сопел диаметром 0.35 мм. Пере турной пайкой или горячим изостатическим прес греватель пара предназначен для подогрева на сованием. Выбраны следующие толщины слоев:

• бериллия – 3…5 мм, сыщенного пара, полученного в парогенераторе до температуры 473 К и размещается в ВР ваку • медного сплава - 5 мм.

умной камеры. Пароперегреватель представляет Толщина слоя стали зависит от внутреннего медную трубу внутренним диаметром 2 мм и диаметра и определяет градиент температуры на длиной около 40 см.

слое бериллия. На рисунке 3 приведены размеры, Система измерения и регистрации параметров соответствующие градиенту 100 К/см. По грани- (СИР) состоит из ЭВМ, аналого-цифрового пре цам слоев устанавливаются термопары градуи- образователя и первичных датчиков давления и ровки ХА для измерения профиля температуры в температуры (термопары ХА). Частота опроса образце. датчиков 1…10 с-1, в зависимости от ожидаемой скорости регистрируемых процессов. Более высо 4. Экспериментальная установка кая частота опроса соответствует более высокой Для проведения экспериментов создана уста начальной температуре поверхности.

новка для исследования взаимодействия пара и Количество водорода измеряется в ходе экс металла.

перимента непрерывно объемным способом. Во Установка состоит из вакуумной камеры, дород вытесняет воду из под газового колокола, предназначенной для размещения исследуемых его объем определяется по давлению под колоко моделей, и следующих систем, обеспечивающих лом, с учетом парциального давления водяного проведение экспериментов:

пара и растворимости водорода в воде. Водо 1) системы вакуумирования;

струйный вакуумный насос используется для по 2) системы подготовки и подачи водяного пара в дачи под колокол водорода из области низкого камеру (ППС);

давления.

3) системы измерения и регистрации параметров (СИР).

5. Порядок и объем исследований Экспериментальные работы условно делятся Вакуумная камера представляет собой двух на три этапа:

слойный сосуд, образованный наружным корпу • методический;

сом (НК) и съемным корпусом (СК). В зазоре ме • окисление образца и изучение излучательной жду корпусами может быть организовано движе ние теплоносителя. способности окисленного образца;

• исследование поведения модели ПС при окис СК предназначен для размещения исследуе мых образцов и обеспечения требуемых условий лении в среде водяного пара;

эксперимента. Он выполнен в виде узла, который • исследование поверхности окисленного об может быть снят и помещен в перчаточный бокс разца.

для разборки и извлечения окисленного образца и Методический этап проводится до указанных очистки от загрязнения.

в п. 1 исследований с целями:

СК состоит из корпуса с крышкой, в которой • изучения влияния длительности выдержки имеется окно для пирометрических измерений. В образцов в окислительной среде при низком состав СК входят также держатель и нагреватель давлении на свойства поверхности бериллия и образца. Схема размещения модели ЧТ в медном выбора начального давления в вакуумной ка блоке, армированном нержавеющей сталью и те мере;

плоизолированном по наружной поверхности.

• проверки соответствия рабочих характеристик Водяная рубашка (ВР) предназначена для систем установки проектным.

обеспечения постоянной температуры внутренней стенки вакуумной камеры в ходе эксперимента. Матрица методического этапа представлена в Система подготовки и подачи пара предназна- таблице 1.

чена для контролируемой подачи в вакуумную Изучение излучательной способности состоит камеру водяного пара, имеющего заданные пара- из следующих операций:

метры. • предварительное измерение степени черно ППС состоит из парогенератора, который про- ты поверхности;

изводит насыщенный пар, двух контрольных со • окисление поверхности в среде водяного пел, установленных на выходе из парогенератора пара;

и на выходе из вакуумной камеры, и пароперегре • измерение степени черноты поверхности.

вателя.

Парогенератор представляет собой сосуд из Степень черноты поверхности измеряется ме нержавеющей стали, который имеет встроенный тодом сравнения с эталоном и определяется как электрический нагреватель. Мощность нагревате- отношение сигнала от поверхности А (рис. 2) к ля может плавно изменяться в диапазоне от 0 до сигналу от отверстия (модель ЧТ, расчетная сте 2.5 кВт, что позволяет регулировать расход пара пень черноты около 0.99). Измерения производят УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ БЕРИЛЛИЯ С ВОДЯНЫМ ПАРОМ ся при постоянной температуре в интервале от верхности бериллия представлена в таблицах 2 и 1173 до 1373 К через каждые 100 К, в вакууме, 3.

чтобы исключить окисление во время измерения. Матрица условий окисления образца - модели Матрица условий окисления поверхности бе- PFC представлена в таблице 4.

риллия перед измерением степени черноты по Таблица 1. Условия испытаний методического этапа.

Среда в ВК H 2O Ar Давление, кПа, менее 4 1 плотный и 1 плотный и Плотность образца 1 пористый 1 пористый Температура поверхности бериллия, К 1273 Время выдержки, час, не более 1 Таблица 2. Условия окисления поверхности бериллия (99% теоретической плотности).

Т w, К 673 773 873 973 1073 1173 1273 0.1 MPa + + + + + + + + 0.2 MPa + + + + + + Таблица 3. Условия окисления поверхности бериллия (86.5% теоретической плотности).

Т w, К 673 773 873 973 1073 1173 1273 0.1 MPa + + + + 0.2 MPa + + + + Таблица 4. Условия окисления образца - модели PFC.

Температура поверхности бериллия, К 1223 Градиент температуры на слое бериллия, К/см 100 Предельное давление пара в ВК, МПа 0.2 0. Количество моделей ПС 4 Начальное поле температуры создается в мо- 6. Заключение дели ПС поверхностным нагревом бериллиевой Выше были представлены краткое описание поверхности. Способ нагрева - прямое пропуска- программы исследований и конструкции установ ние электрического тока частотой 66 кГц. ки. В процессе эксплуатации установки в ее кон Исследования поверхности окисленных образ- струкцию могут быть внесены изменения. В це цов (и моделей ПС) предполагается проводить в лом, конструкция установки позволяет получить АООТ «УМЗ» с целью изучения последствий экспериментальные результаты, предусмотрен взаимодействия бериллия и пара и включают в ные Task S 81 TT 2096-07-16 FR.

себя изучение следующих характеристик образ цов:

• изменение веса;

• шероховатость и микроструктура поверхно сти;

• толщина и состояние окисной пленки.

«АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА И БЕЗОПАСНОСТЬ АЭС» выпуск 1, январь УДК 621.039.526: 621.039. НАКОПЛЕНИЕ И ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕ ВОДОРОДА ИЗ ОБЛУЧЕННОГО ГРАФИТА МАРКИ РГ-Т Тажибаева И.Л.1), Шестаков В.П.1), Клепиков А.Х.1), Романенко О.Г.1), Чихрай Е.В.1), Кенжин Е.А.2), Зверев В.В.2), Колбаенков А.Н.2) 1) НИИЭТФ КазГУ, Алматы.

2) Институт атомной энергии В работе представлены результаты экспериментов по измерению спектров газовыделения водорода из облу ченных в различных условиях образцов графита марки РГ-Т. Облучение проводили в различных средах и температурах на реакторе ИВГ.1М. Измерения проводили методом термодесорбционной спектроскопии.

Рассчитаны концентрации водорода в образцах, проведена оценка коэффициентов диффузии водорода в графите. Установлено, что реакторное излучение оказывает существенное влияние на параметры массопе реноса и накопления водорода в графите марки РГ-Т. Предложен механизм влияния облучения на парамет ры накопления и газовыделения водорода из графита.

Изготовленные образцы размещались в специ Введение Перспектива использования водорода и водоро- альных сборках, выполненных из стальной фоль досодержащих сред в термоядерных энергетиче- ги (ст.08Х18Н10Т), по 6 штук в каждой сборке и ских установках, ядерных ракетных двигателях и промывались 3 мин. в ультразвуковой мойке в т.п. предопределяет необходимость детального этиловом спирте. После этого образцы помеща изучения поведения конструкционных материа- лись в контейнеры для последующего облучения.

лов в среде водорода. Контейнеры для облучения были выполнены из В настоящее время графит широко использу- нержавеющей стали 08Х18Н10Т и представляли ется во многих областях науки и техники, осо- собой цилиндры с одинаковым внутренним диа бенно в реакторостроении. Хорошие теплофизи- метром и различной толщиной стенок с целью ческие свойства, стойкость к термоудару и низкая получения требуемых температур за счет радиа наведенная активность графита определяют его ционного разогрева их корпусов.

преимущества перед другими материалами, ис- Облучение проводили в реакторе ИВГ-1М пользуемыми в технике реакторостроения. ИАЭ НЯЦ РК в течение 6 часов при общем флю енсе по нейтронам 41018 н/см2, при средних Условия эксплуатации графита в ТЯР предпо лагают воздействие высокоинтенсивных потоков температурах 920К и 1150К в атмосфере водорода (Р=105 Па), и при тех же температурах в атмосфе излучения и наличие изотопов водорода. Для ре азота (Р=105Па). Проведенные теплофизиче безопасной работы термоядерного реактора большое значение имеет оценка накопления и ские расчеты температуры образцов соответство удержания трития в материалах первой стенки. вали температурам, контролируемым во время Поэтому возникает необходимость исследования облучения.

поведения графита в условиях совместного воз- В качестве контрольных использовались об действия изотопов водорода и нейтронного излу- разцы графита той же формы и того же состава, чения при воздействии температурных полей. что и облученные. Контрольные образцы, после В статье приведены результаты определения промывки в этиловом спирте в ультразвуковой параметров массопереноса и накопления водоро- мойке, насыщались в техническом водороде при да в графите марки РГТ после его насыщения в температурах 1150К и 920К, что соответствовало процессе реакторного облучения. режимам термообработки облученных образцов.

Установка (рис.1.), используемая для проведе Исследуемый материал и методика экспе ния экспериментов по газовыделению, представ римента ляет собой высоковакуумный откачной пост, соб В работе исследовался графит марки РГ-Т с ранный на основе двух магниторазрядных насо содержанием титана около 7%. Титан присутст сов “НМД-0,4” (чистовой), и “НМД-0,25” (черно вует в микроструктуре матрицы композита в виде вой), соединенный с водоохлаждаемой камерой, в включений ГЦК - карбида титана TiC со средни которой располагается исследуемый образец. Об ми размерами (1-2) мкм. Карбидные выделения разец в камере располагается на водоохлаждае TiC способствуют улучшению как прочности мых токовводах, и прижимается гайкой между УГМ в направлении оси текстуры, так и тепло молибденовыми шайбами. Нагрев образца произ проводности.

водился прямым пропусканием тока. Контроль и Образцы были выполнены в виде стержней поддержание температуры осуществлялось с по квадратного сечения 33 мм, длиной 54 мм. Ис мощью высокоточного регулятора температуры следование проводили на облученных и кон ВРТ-3, соединенного с понижающим трансфор трольных образцах графита.

НАКОПЛЕНИЕ И ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕ ВОДОРОДА ИЗ ОБЛУЧЕННОГО ГРАФИТА МАРКИ РГ матором. Измерение количества выделяющегося предварительной обработки), можно было на водорода производилось измерителем парциаль- блюдать только два пика выделения водорода при ных давлений омегатронным ИПДО-1 с датчиком температурах 770 К и 1100 К.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.