Влияние нейтронного облучения на структурно-фазовое состояние и распухание композиций PuO2+MgO и (Pu, Zr) N

Актуальность темы

В настоящее время основную долю отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) составляет топливо энергетических реакторов на тепловых нейтронах. В этом топливе кроме продуктов деления содержатся искусственные трансурановые элементы активационного происхождения — плутоний и так называемые младшие актиниды или минор-актиниды (МА — изотопы нептуния, америция и кюрия), которые характеризуются большим периодом полураспада и высокой радиотоксичностью. По состоянию на 2006 год в мире было накоплено около 110 тонн МА в хранилищах ОЯТ, а также 40 тонн МА в составе высокоактивных отходов переработки ОЯТ. Если не будут приняты меры по обращению с младшими актинидами, то их общее количество может удвоиться к 2020 году [1]. Это обстоятельство в настоящее время приходится учитывать в долгосрочных программах обращения с ОЯТ в странах, развивающих крупномасштабную ядерную энергетику. Обязательной составной частью международных и национальных проектов развития ядерной энергетики являются программы вовлечения плутония в топливный цикл и реакторной утилизации минор-актинидов [1−3]. Такие программы включают разработку топливных композиций, содержащих плутоний и минор-актиниды, и способов их облучения в действующих или будущих типах ядерных реакторов, в том числе специально созданных для целей «выжигания» минор-актинидов и трансмутации радиоактивных продуктов деления. В РФ это подпункт об обезвреживании минорных актинидов ФЦП: «Ядерные энерготехнологии нового поколения на период 2010;2015 годов и на перспективу до 2020 года».

Топливные композиции на основе инертных матриц отличаются от традиционных отсутствием урана-238 — основного сырьевого материала для воспроизводства трансурановых элементов, что обусловливает их привлекательность для реакторной утилизации минор-актинидов, а также для рационального использования накопленного плутония с целью выработки энергии. По сочетанию теплофизических и ядерно-физических свойств для реакторных испытаний и дальнейших исследований в рамках российско-французского эксперимента по утилизации плутония и минор-актинидов выбраны композиции на основе оксида магния и нитрида циркония [1]. Анализ критериев работоспособности композиций на основе оксида магния и нитрида циркония показывает, что основным фактором, определяющим их работоспособность, является сопротивление радиационному распуханию в результате структурно-фазовых превращений в условиях накопления большого количества твёрдых и газообразных продуктов деления при высоком выгорании минор-актинидов.

Концепция выжигания плутония и младших актинидов в композициях с инертными матрицами ещё не принята. Это могут быть гомогенные или гетерогенные топливные композиции или мишени, и они могут находиться в виде твэлов в активной зоне или в экранных ячейках.

Цель работы — выявление механизмов и закономерностей влияния продуктов деления на структурно-фазовые изменения и распухание композиций Ри02+М§ 0 и (Ри, 7г) Ы при облучении в реакторе на быстрых нейтронах.

Для достижения указанной цели решены следующие задачи:

1. Методами электронно-зондового микроанализа, сканирующей электронной микроскопии, металлографии и рентгеноструктурного анализа исследована микроструктура облученной композиции на основе Ри02+М§ 0, выявлен её фазовый состав, определен элементный состав выявленных фаз, определено влияние продуктов деления на параметр их элементарных кристаллических решеток.

2. Разработана физическая модель, проведен расчет и сравнение с экспериментальными данными радиационного распухания композиции Ри02+М§ 0.

3. Исследованы характеристики микроструктуры и фазовый состав композиции (Ри, после облучения, распределение и химическое состояние продуктов деления, определены значения пористости. 4. Выявлены радиационно-индуцированные процессы, влияющие на распухание композиции (Ри, 2г) Ы, проведен расчёт распухания и сравнение с экспе-риментальными данными.

Научная новизна работы:

1. Получены экспериментальные данные о влиянии нейтронного облучения на изменения микроструктуры и фазового состава композиции на основе РиС>2+М§ 0. Получены количественные характеристики влияния облучения на элементный состав, параметры элементарных кристаллических решеток и распухание выявленных фаз.

2. На основе экспериментальных данных о фазовом и элементном составе об-лученной топливной композиции Ри02+М§ 0 разработана физическая модель её радиационного распухания при низкотемпературном нейтронном облучении и получены расчетные данные, совпадающие с экспериментальными. Модель учитывает появление новых элементарных ячеек в фазах М§-0 и Ри02 на основе осколков деления плутония, изменение параметра решётки М§-0 с выгоранием и появление газовой пористости.

3. Обнаружено, что при нейтронном облучении происходит распад твёрдого раствора (Ри, 2г) Ы с образованием двух фаз, отличающихся соотношением плутония и циркония.

4. Получены количественные данные о вкладе выявленных радиационно-индуцированных процессов в распухание композиции (Ри, в условиях низ-котемпературного облучения.

Практическая значимость работы:

Новые экспериментальные данные о влиянии нейтронного облучения на элементный состав и структурно-фазовые изменения топливных композиций на основе оксида и нитрида плутония в инертных матрицах вносят вклад в понимание закономерностей радиационной повреждаемости ядерных материалов и необходимы для разработки и обоснования работоспособности топлива и твэлов для выжигания плутония и минор-актинидов, выделяемых при переработке отработавшего топлива энергетических реакторов, в частности, позволяют рекомендовать увеличение содержания делящихся нуклидов и повышение выгорания.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Фазовый состав оксидной композиции, содержащей в исходном состоянии Ри02, М§-0 и Ри20з, после нейтронного облучения до выгорания 19% тяж. ат. при температуре до 890 °C представляет собой смесь многокомпонентных твердых растворов на основе химических соединений Р1Ю2 и М§-0 с растворёнными в них продуктами деления (БР) плутония — (Ри, РР)02-У и (М§-, ГР)02 с относительной долей продуктов деления в инертной матрице 77 ± 10% от образовавшегося количества.

2. Радиационное распухание оксидной композиции, рассчитанное в соответствии с положениями разработанной модели, после выгорания плутония 11 и 19% равно соответственно 0,8±0,4 и 1,2±0,7%. Радиационное распухание, оцененное по увеличению длины топливного столба и соответсвующее выгоранию 19%, равно 1,1±0,7%.

3. В результате нейтронного облучения происходит распад твёрдого раствора ^г0,783> Рио, 217^ с образованием фаз, отличающихся соотношением плутония и циркония — (2г0,84> Ри0,|б^ и (Рио, 82> 2г0 |8)Н с растворенными в них продуктами деления. При низкотемпературном облучении происходит реструктуризация фазы с повышенным содержанием плутония, характеризующаяся образованием субмикронной структуры, выходом газообразных продуктов деления из твёрдого раствора и формированием пористости.

4. Расчетно-экспериментальными исследованиями показано, что распад твердого раствора сопровождался уменьшением объема материала. По результатам расчета, учитывающего объемные изменения при фазовых превращениях, твердорастворное распухание и образование пор, при выгорании 19,4% плутония распухание композиции (Ри, равно 5,6±0,8 что коррелирует с экспериментально определенным значением 5,3±0,7%.

Апробация работы. Основные результаты диссертации были доложены и обсуждены: на европейской рабочей группе «Горячие лаборатории и дистанционное обслуживание», г. Петтен, Нидерланды, 6−8 июня 2005 г.- конференции «Материалы ядерной техники (МАЯТ-2)» 19−23 сентября 2005 г., г. Туапсеотраслевой научно-технической конференции, посвященной 50-летию НИИАР, Димитровград 4−8 декабря 2006 г.- 8-ой международной конференции по радиационному материаловедению, Димитровград 21−25 мая 2007 г.- 9-ой международной конференции по радиационному материаловедению, Димитровград 14−18 сентября 2009 г.- на международной конференции (№ 109), Киото, Япония, 7−11 декабря 2009 г.- семинаре «Глобал 2009», Париж, Франция, 6−11 сентября 2009 г.- Российской научной конференции «Материалы ядерной техники (МАЯТ-2009)» 30 сентября — 3 октября 2009 г.- XVII Российском симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твёрдых тел, Черноголовка, ИПТМ РАН, 30 мая — 2 июня 2011 г.

Личный вклад автора. Все основные экспериментальные результаты, представленные в диссертации получены лично автором. Постановка задач и обсуждение результатов проводились совместно с научным руководителем. Все расчеты по разрабатываемым моделям выполнены автором самостоятельно. В статьях, опубликованных в соавторстве, автору принадлежат результаты, сформулированные в защищаемых научных положениях и выводах.

Достоверность полученных результатов подтверждается:

— воспроизводимостью экспериментальных данных на большом количестве исследованных образцов;

— верификацией методов исследований по результатам измерений другими методами и сравнением с литературными данными;

— метрологической аттестацией методик исследования;

— наличием системы обеспечения качества в ГНЦ НИИАР в соответствии с государственной аккредитацией научной организации, свидетельство № 3656 от 29 января 2002 г., серия AHO 2 246, а также лицензиями на осуществление деятельности по данному тематическому направлению: ГН-08−115−0815 от 29.04.2002 г., ГН-08−115−0815 от 29.04.2002 г., ВО-09−501−0817 от 18.12.2002 г. и аттестатом аккредитации испытательной лаборатории (центра) № ИК 0008 (РОСС RU 0001 01Аэщ00. 73.22.0008) от 19.02.2001 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, из них 3 статьи в рецензируемых журналах, входящих в список изданий, рекомендованных ВАК РФ, 8 докладов в сборниках и трудах международных и российских научных конференций.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем работы составляет 114 страниц, включая 44 рисунков и 25 таблиц.

Список литературы

содержит 44 наименования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Влияние низкотемпературного — от 670±20 до 890±-30°С нейтронного облучения на состояние гетерогенной оксидной композиции 40% Ри02 + 60% М§-0 проявляется в изменениях элементного состава фаз Ри02 и М§-0 и параметров их элементарных кристаллических решёток. Указанные изменения обусловлены накоплением продуктов деления плутония, относительный выход которых в инертную матрицу зависит от размера частиц Ри02 и для данных условий эксперимента равен 77 ± 10%. Фазовый состав композиции после облучения — смесь твёрдых растворов продуктов деления на основе химических соединений Ри02 и М§-0. Выход газообразных продуктов деления из топлива обусловлен атермическими процессами и вследствие высокой доли открытой пористости в исходных таблетках составляет 9± 1% при выгорании 19% тяж. ат.

2. На основе экспериментальных данных о фазовом и элементном составе облученной топливной композиции на основе Ри02+М§ 0 разработана физическая модель радиационного распухания, учитывающая изменение количества вещества в выявленных фазах из-за деления ядер плутония и растворения продуктов деления, изменение параметра элементарных кристаллических решеток и образование газовой пористости. Полученные расчетные значения распухания для выгораний плутония 11 и 19% тяж.ат. равны соответственно 0,8±0,4 и 1,2±0,7% и подтверждены экспериментальными данными. Низкое распухание композиции обусловлено малой объемной долей Ри02, накоплением большей части продуктов деления в инертной матрице 1У^О и низкой температурой облучения, при которой вклад газовой пористости незначителен.

3. В результате исследования микроструктуры, фазового состава, распределения и химического состояния продуктов деления в облучённой композиции (Ри, обнаружено, что при нейтронном облучении происходит распад твёрдого раствора (2г0,78з> Рио, 217^ с образованием фаз, отличающихся соотношением плутония и циркония — (2го, 84, Рио, 1б^ и (Ри0,82,.

Zr0,i8)N с растворенными в них продуктами деления. В фазе с повышенным содержанием плутония происходит явление реструктуризации с образованием субмикронной структуры, выходом газообразных продуктов деления из твёрдого раствора и формированием пористости.

4. Выявлены радиационно-индуцированные процессы, влияющие на распухание композиции (Pu, Zr) N, получены количественные данные о вкладе выявленных процессов в распухание композиции (Pu, Zr) N в условиях низкотемпературного облучения. По результатам расчета, учитывающего объемные изменения при фазовых превращениях, твердорастворное распухание и образование пор, при выгорании 19,4% плутония распухание композиции (Pu, Zr) N равно 5,6±0,8%, что коррелирует с экспериментально определенным значением 5,3±0,6%.