научная статья по теме ЗАПАСЕННАЯ ЭНЕРГИЯ В КОНСТРУКЦИОННЫХ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛАХ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ЗАПАСЕННАЯ ЭНЕРГИЯ В КОНСТРУКЦИОННЫХ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛАХ»

химия

ТВЕРДОГО ТОПЛИВА <4 • 2004

УДК 621.039.532.21

© 2004 г. Виргильев Ю.С.

ЗАПАСЕННАЯ ЭНЕРГИЯ В КОНСТРУКЦИОННЫХ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛАХ

Приведены значения запасенной энергии (энергия Вигнера) в отечественном реакторном графите марки ГР, облученном в вытеснителях и в виде втулок уран-графитовых реакторов при 100-450°С и флюенсом до 1.3 • 1022 нейтр/см2 (Е > > 0.18 МэВ), которые сопоставлены с зарубежными данными. Показано, что запасенная энергия графита растет с дозой облучения и стабилизируется, а достигнутый уровень экспоненциально снижается с температурой облучения. Установлена пропорциональность между накопленной энергией и параметром кристаллической решетки графита (с). Предложено объяснение полученных эффектов, основанное на учете радиационной деформации кристаллитов.

В облученных нейтронами при невысоких температурах конструкционных углеродных материалах (КУМ) часть оставшихся в их кристаллической решетке смещенных атомов сохраняет избыток энергии по сравнению с равновесными атомами, что приводит к росту теплосодержания графита и внутренней энергии системы. При повышении температуры облучения скрытая, или запасенная энергия (энергия Вигнера), спонтанно выделяется [1], поэтому важно знать как общее количество накопленной энергии, так и возможность ее спонтанного выделения при аварийных ситуациях, сопровождаемых резким повышением температуры графита при тяжелой аварии реактора, которая, в частности, произошла в 1957 г. на 1-м Уиндсклейском водографи-товом реакторе, работавшем при невысоких температурах [2]. Это вызвало необходимость проведения исследований этого явления. Для отечественного реакторного графита марки ГР-280 имеются лишь отдельные данные, к тому же для невысоких доз облучения [3].

Повышение температуры кладок первых отечественных уран-графитовых реакторов (УГР) в результате форсирования их мощности [4], а также в более мощных реакторах позволило устранить опасность накопления значи-

Характеристика отечественного графита марки ГР разных типов размеров (по [6])

Показатель Значение показателя

Плотность, й, г/см3 1.65-1.75

Параметр кристаллической решетки, с, нм 0.6742

Размеры кристаллитов, нм:

высота, Ьс 15-20

диаметр, Ьа 60-80

Степень совершенства кристаллической 0.4

структуры, g

Динамический модуль упругости, Е, ГПа 6.6/4.8

тельного количества запасенной энергии. Вместе с тем графит в некоторых зонах работающих реакторов имеет невысокую рабочую температуру, поэтому возможность заметного накопления энергии Вигнера не исключается. Это касается периферийных сменных втулок УГР и вытеснителей охлаждаемых каналов СУЗ1 реакторов РБМ-К, у которых при нормальной работе реактора нет причин для выделения энергии. Однако в аварийных ситуациях, связанных с обезвоживанием контура охлаждения каналов СУЗ, из-за перегрева графита может произойти выделение энергии [5], поэтому выполнение работ по определению запасенной энергии вполне актуально.

В настоящей статье приведены новые результаты измерения запасенной энергии в отечественном реакторном графите марки ГР, которые сопоставлены с опубликованными ранее отечественными и зарубежными данными.

В ранее выполненных работах было установлено [1, 3, 6-8], что количество запасенной энергии в реакторном графите (табл. 1) растет практически линейно с полученной дозой, затем стабилизируется, достигая 2.93 кДж/г, и экспоненциально снижается при повышении температуры облучения. Энергия имеет распределение по кладке УГР, соответствуя полученной дозе и рабочей температуре, прямо пропорциональна параметру кристаллической решетки с, уменьшается по мере ухудшения кристалличности КУМ; при этом она выделяется при нагревании графита выше температуры облучения.

Между температурами начала выделения энергии и облучения имеется линейная зависимость, причем разность между ними (температурный запас, предотвращающий выделение) не превышает 55°С.

В работе [5] запасенную энергию предлагают характеризовать тремя показателями: полной энергией Н, скоростью ее освобождения йН/йТ и ее части ДН, которая выделится при некоей данной температуре. Полное ее количество находят как разность между теплотами сгорания облученного и необ-лученного КУМ.

В работе [9] запасенную энергию измеряли на образцах, вырезанных из штоков диаметром 60 и длиной 300 мм, облучавшихся при 140°С в атмосфере гелия в качестве вытеснителей кольцевых твэл'ов [10]. Измерения проводили в жидкостном калориметре сжигания с изотермической оболочкой мар-

1 Система управления и защиты.

Усредненные характеристики образцов графита марки ГР

Проба T, °C F ■ 1021, с Lc d, г/см3 X, Вт/мК а, МПа H, кал/г

н/см2 нм

Эталон - 0 0.6742 25-30 1.65 103 89 34 33 0

Вытеснитель 100 0.75 0.7070 - 1.75 17 - 0.84**

Шток 140 0.50 0.7012 15-20 1.58 4.3 4.0 49 47 0.82

140 13 0.7642 2-3 1.56 2.2 1.9 1—^ 11—^ 0 о 01 -0 1.84

Втулка 200 1.1 0.6810* 4-5* 1.75 17 15 62 57 0.35

450 5.4 0.6716* 10-12* 1.70 27 26 46 45 0.10

Примечания. 1. В числителе - показатели для образцов, вырезанных параллельно высоте заготовки, в знаменателе - для перпендикулярных; у вытеснителя - параллельные значения. 2. Значение энергии (**) - оценка по параметру с. 3. Теплопроводность измерена при комнатной температуре 4. Параметр с и высота кристаллитов (*) для указанных условий облучения взяты из работы [6].

ки B-08MA. Его калибровка с помощью калибровочных электронагревателей обеспечила точность определения 0.05%. Чистота примененного кислорода -99%, масса навески порошка графита - 0.5 г. Надежность результатов обеспечивалась сжиганием двух-трех параллельных проб для каждой температуры отжига.

Запасенную энергию во втулках УГР определяли методом дифференциального термического анализа по пяти параллельным образцам.

Запасенную энергию в графите вытеснителя СУЗ РБМ-К (стержень диаметром 65 мм), проработавшего 6.5 лет, оценили в количестве 0.71-0.84 кДж/г в работе [11] путем подсчета, основанного на имеющихся закономерностях, связывающих ее с изменением свойств графита.

Другие свойства графита: плотность (d); теплопроводность (X) при комнатной температуре; динамический модуль упругости (E); предел прочности при сжатии (а); характеристики кристаллической структуры (параметр решетки с, высоту Lc и диаметр La кристаллитов), определяли по принятым методикам [12]. Температуру облучения оценивали по изменению параметра кристаллической решетки с при изотермическом отжиге [13], флюенс нейтронов с энергией больше 0.18 МэВ - из наработки реактора. Условия облучения и характеристики образцов представлены в табл. 2.

Для приведенных в табл. 2 образцов графита ГР, а также для реакторного графита CSF по данным работы [1] на рис. 1 построены зависимости между дозой облучения и запасенной энергией, достигшей у облученного дозой 3 ■ 1021 нейтр/см2 при 30°C графита 2.10-2.51 кДж/г. Они имеют тот же характер, что и дозовые зависимости других свойств графита: параметров

Рис. 1. Зависимость запасенной энергии в реакторных графитах от флюенса нейтронов при температурах: 30 (1); 100 (2); 140 (3); 200 (4) и 450 (5)°С

Н, Вт/мК

21 2

Рис. 2. Зависимость запасенной энергии в графитах (рис. 1) от температуры облучения (флюенс 10 нейтр/см )

кристаллической решетки; размеров кристаллитов; теплопроводности; прочности - сначала линейный рост с увеличением дозы, а затем - стабилизация.

При увеличении температуры облучения видно резкое снижение запасенной энергии. Так, например, для облучения при 750°С она составляет всего 38 Дж/г. Уровень стабилизации (для дозы 2 ■ 1021 нейтр/см2) в полулогарифмических координатах (рис. 2) прямо пропорционален обратной температуре. Найденная из этого графика энергия активации (0.18 эВ) совпала с полученной ранее в работе [7] и оказалась близкой к энергии активации образования комплекса дефектов при облучении (0.21 эВ).

H, кДж

о

33.0

34.5

34.0

33.5

о

0

500

1000

1500

2000

2500 T, °C

Рис. 3. Зависимость теплоты сгорания графита ГР от температуры отжига, облученного при 140°С флюен-

Накопленная энергия при быстром перегреве образцов выше температуры облучения может в течение нескольких минут вызвать саморазогрев графита [1].

Выделение при отжиге накопленной при 30°C графитом марки CSF запасенной энергии идет в широком температурном интервале. Кривые ее выделения имеют сложный характер, проходя через ряд локальных минимумов и максимумов (при 180-200; 380-400 и около 700°C), что указывает на многоступенчатость процесса перестройки дефектной структуры облученного графита при отжиге [14]. На основании этого в работе [5] показано, что выделение накопленной энергии при отжиге до температуры 800°C, соответствующей аварийной при обезвоживании контура охлаждения СУЗ, не превышает 1.17 кДж/г и слабо зависит от предварительно накопленных доз в интервале их значений (4-20) ■ 1020 нейтр/см2.

При термическом отжиге облученного флюенсом 0.5 ■ 1021 нейтр/см2 при 140-160°C реакторного графита марки ГР теплота сгорания плавно снижается до 2000°C; в дальнейшем (до 2300°C) она практически не меняется, незначительно превосходя теплоту сгорания квазимонокристалла (рис. 3). При этом характеристики кристаллической структуры и макросвойства полностью восстанавливаются [10].

У высокооблученного (флюенс 1.3 ■ 1022 нейтр/см2) образца при его отжиге наблюдаются два интервала температур, в которых происходит резкое снижение теплоты сгорания: до 700 и в интервале 1000-2000°C. Между 700 и 1000°C выделение теплоты сгорания незначительно. Оно также не меняется

сами (1021 нейтр/см2) 0.5 (1) и 13 (2). Пунктир - необлученный графит

21

2

Рис. 4. Зависимость скорости выделения запасенной энергии от температуры отжига в графитах: CSF, об-

20 20 2 лученного при 30°C флюенсами 2.6 • 10 (1) и 1.3 • 10 нейтр/см (2); ГР, облученного при температурах

21 2

200 (3) и 450°C (4) соответственно флюенсами (10 нейтр/см ) 1.1 и 5.5; кривая 5 - удельная теплоемкость необлученного графита

выше 2000°C, как и у предыдущего образца, оставаясь немного выше, что связано с образовавшейся неотжигаемой микро- и макропористостью [10]. При этом радиационные эффекты были устра

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком