輻照性能主要表現在輻照密實、輻照腫脹、裂變氣體釋放、重結構效應、開裂等問題上。
基本介紹
- 中文名：燃料芯塊輻照性能
- 外文名：Radiation effect or nuclear fuel material
輻照密實
在中子作用下發生裂變，二氧化鈾燃料芯塊中產生氣態和固態裂變產物。同時中子和裂變碎片與原始氣孔發生相互作用，形成缺陷(空位等)。空位在熱激活作用下向晶界擴散，使氣孔消失，導致燃料基體的體積縮小而密度增加，此現象稱為輻照密實，一般發生在10000MW·d/tU燃耗以下。試驗表明，輻照密實常發生在低密度(90%~92%理論密度)、原始小氣孔(<2μm)體積份額大和晶粒度較小(3~4μm)的二氧化鈾芯塊。對應的穩定燃料特徵為初始密度大於95%理論密度，小於2.5μm的氣孔體積要少，平均晶粒度要大於8μm。燃料密實的後果是造成在高裂變位置元件包殼的塌陷；遇到燃料柱下沉時，芯塊柱出現不連續，由包殼塌陷形成包殼壓扁；降低間隙導熱，使燃料溫度上升。這種事故在70年代初在幾個壓水堆核電廠屢屢發生。以後採用高密度芯塊，棒內充1~2MPa氦氣避免了事故發生。
輻照腫脹
氣態和固態裂變產物在晶格內的積聚是二氧化鈾芯塊發生輻照腫脹的根源。氣態裂變產物(Kr、Xe)在二氧化鈾晶格內的溶解度小，在缺陷處(位錯、晶界)形成氣泡，由此引起燃料腫脹。這部分腫脹與燃料溫度和燃耗有關。固態裂變產物隨燃耗單調增加，故每種裂變產物原子所占據的體積(即腫脹)可根據其濃度和結晶學數據及它們的化學狀態計算出來。大約每1%(原子)燃耗，體積腫脹0.3%左右。燃料的輻照腫脹可由內部氣孔來調節。為此在製造時保存一定比例的大氣孔以容納燃料在高燃耗下的腫脹。
裂變氣體釋放
在高燃耗下，二氧化鈾芯塊中大量的氣態裂變產物由晶界捕獲，在高溫下通過晶界釋放出來。被釋放的裂變氣體進入燃料棒間隙和空腔，使棒內壓力升高；部分侵蝕性裂變氣體如Cs、Te等對包殼產生應力腐蝕。裂變氣體釋放量與溫度有關，典型的計算模型是燃料溫度大於1973K時釋放量為70%~95%；在1973~1673K範圍為40%~10%；在1673~1473K範圍小於10%；低於1473K時為2%。
由於裂變氣體Kr、Xe的熱導率比氦氣的低得多，因此Kr、Xe進入燃料芯塊與包殼間隙會大大降低間隙導熱，使傳熱惡化，燃料溫度提高，這又會引起裂變氣體更多的釋放。此現象稱為熱反饋效應。
重結構效應
在動力堆使用條件下，二氧化鈾芯塊的中心溫度很高，約2200~2400K，外緣溫度約600K，徑向溫度梯度陡峭。在芯塊的橫截面上，介於1973K到中心溫度的區域，燃料的蒸氣壓很高。在製造態二氧化鈾芯塊記憶體在原始氣孔，由於氣孔高溫端的燃料蒸發，併到低溫端凝結，造成物質從高溫區向低溫區的遷移，氣孔向中心移動。在更高溫度工作的快中子堆燃料中央形成空洞。在氣孔移動的路徑上產生柱狀晶，該區叫做柱狀晶區，其次與1673~1973K相對應的環狀區是晶粒呈等速度長大的等軸晶區；低於1673K的環狀區為原始晶區(見圖)。這種由輻照引起的二氧化鈾微觀結構的變化稱為重結構效應。它可以導致氣孔和裂變產物的重新分布，也是芯塊密實、裂變氣體釋放和腫脹的主要誘發因素。
UO2芯塊輻照後的結構開裂
在二氧化鈾芯塊的橫斷面上出現開裂，這是由陡峭的溫度梯度作用在導熱性差的二氧化鈾上產生很大的熱應力所致。在輻照初期徑向產生裂紋使外徑增大。當中心區發生重結構後，裂紋開始消失；隨燃耗繼續加深，則由於燃料和包殼的腫脹和熱膨脹，芯塊與包殼相接觸，發生機械相互作用。這時，接觸應力引起燃料內產生新的裂紋，同時使包殼管外徑增大，它是造成燃料棒破損的一種機制。
芯塊周緣組織變化
高燃耗條件下芯塊柱表面形成局部高燃耗區，即周緣區，該區內原來晶粒組織消失、呈多孔狀，並連通，該區的寬度隨燃耗的加深而增加。周緣組織內裂變氣體幾乎全部釋放，從而成為釋放通道，增加裂變氣體釋放率，同時還降低導熱性能。
其他
輻照對二氧化鈾的物理、力學性質也有明顯的影響。試驗表明:輻照會降低二氧化鈾的熔點，下降速率為每增加10MW·d/tU燃耗，熔點下降32K。在大於10n/cm(E>1MeV)的中子注量時二氧化鈾的熱導率隨中子注量的增加而降低。在輻照和熱梯度作用下，二氧化鈾發生密度再分布而在1073K時便開始蠕變，增加塑性。
