ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДЕЛЬНОГО НИТРИДНОГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА ДЛЯ ОЦЕНКИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПЕРСПЕКТИВНОГО ТОПЛИВА РЕАКТОРОВ НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ

Введение 1. Реакторы на быстрых нейтронах – основа ядерной энергетики; 2. Возможность вовлечения в топливный цикл широко распространенного в природе нуклида 238 U, возможность трансмутации младших актиноидов (Am, Np, Cm); 3. Требование: использование плотного топлива (ПТ – топливо, плотность которого выше UO 2, т.е. более 10 г/см 3 ). Недостатки: UO 2 или (U,Pu)O 2. низкая плотность ~ 10 г/см 3 и теплопроводность 24 Вт/мК; 4. Альтернатива UO 2 – нитридное топливо UN или (U,Pu)N. Так называемое СНУП топлива.

О нитридном топливе Достоинства: 1. Высокая плотность ρ = 14,32 г/см 3 ; 2. Высокая теплопроводность λ(UN)=1730 Вт/мК, λ(U 0,8 Pu 0,2 N) = 18 Вт/мК 3. Высокая температура плавления. 3. Высокая температура плавления 2797 °С. 4. Хорошая совместимость с конструкционными материалами (н/ст до 1200 С). Недостатки: 1. Сложная технология получения. Возможность окисления при хранении.; 2. Жесткие требования к содержанию кислорода и углерода, т.к. их содержание определяет степень взаимодействия с оболочкой; 3. Накопление изотопа 14 С; 4. Трудность достижения высокой плотности (более 75 %); 5. Низкая термохимическая стабильности при высоких температурах. Нитридное топливо согласно п проекта «Прорыв» должно использоваться для реакторов БРЕСТ

Недостатки и пути решения Сложная технология получения. Существует 2 основных способа получения: Промышленный способ: карботермическое восстановление: Лабораторный: Наличие примесей кислорода и углерода, что приводит к взаимодействию с КМ. Решение: длительный отжиг при 1800 °С в атмосфере водорода. Достижение высокой плотности (более 75 %). Решение: повышенные давления (~ 1100 МПа) прессования, помол (2050 ч) для измельчения порошка UN до нм. Повышение температуры спекания °С. Спекание в различных газовых средах. Электромагнитные методы компактирования. Воздействие высокой температуры ~1700 °С (спекание). Приводит к диссоциации UN, (U,Pu)N, AmN. Решение: повышение парциального давления азота в твэл или легирование нитрида для повышения его термостабильности.

Два направления дальнейших изучений свойств смешанного нитридного ядерного топлива: - исследование изменения его физико-химических свойств, происходящих под облучением для обоснования работоспособности твэл, или верификации расчетных программ; - изучение термической стабильности, в том числе и изменения ее под действием продуктов деления, а также рассмотрение путей ее повышения, например легирование тугоплавкими нитридами. - изучение взаимодействия нитридного топлива с конструкционными материалами (коррозионно-стойкой сталью). Основной объем данных можно получить только в ходе реакторного облучения и последующих исследованиях. Предварительные результаты (фазовый состав, теплофизические свойства и т.п.) можно получить на основе материалов-суррогатов, в которых активные элементы (Pu, Am и т.д) заменены элементами-имитаторами. Способ применялся для исследования оксидного топлива (замена оксида плутония CeO). Невозможно достигнуть полного совпадения всех физико- химических свойств исследуемого материала и имитатора, однако применение такого подхода освобождает от необходимости работы с высокоактивными или токсичными материалами и позволяет получить правильные закономерности изменения свойств.

Цель работы Обоснование выбора имитаторов нитрида плутония и нитрида америция; Разработка технологии создания модельного нитридного топлива, содержащего имитаторы нитрида плутония и нитрид америция.

Обоснование выбора имитатора нитрида плутония и америция Что может являться аналогом плутония и америция? Теория Г. Сиборга: в ряду лантаноидов и актиноидов идет заполнение электронами не наружной, а внутренней 5f оболочки, т.е. лантаноиды служат физико- химическими аналогами актиноидов. Что же еще должно быть общего: Тип и период кристаллической решетки; Температура плавления, энергия образования нитрида, упругость насыщенного пара.

Термодинамические параметры Тип кристаллической решетки, для всех одинаков, структура NaCl. Период кристаллической решетки: Для Pu - 0,4990 нм, AmN - 0,4906 нм. Ближайшие аналоги CeN - 0,5023 нм; DyN - 0,4905 нм. Термодинамические характеристики: T пл (PuN)= 2862 K; T пл (CeN)= 2848 K; T пл (AmN)= 3107 K; T пл (DyN)= 2993 K; Свободная энергия образования нитрида, к Дж/моль: PuN= 277; CeN = 298; AmN= 293; DyN= 288.

Термодинамические параметры (продолжение) Парциальное давление металла над нитридами лантаноидов Парциальное давление азота над нитридами лантаноидов

На первом этапе работы получен чистый моно нитрид урана с минимальным содержанием углерода и кислорода, нитрид церия и нитрид диспрозия На первом этапе работы получен чистый моно нитрид урана с минимальным содержанием углерода и кислорода, нитрид церия и нитрид диспрозия Смешение порошков, прессование в компакт и спекание в таблетку; Смешение порошков, прессование в компакт и спекание в таблетку; Исследование некоторых свойств полученных образцов. Исследование некоторых свойств полученных образцов. Технология: Получение моно нитрида урана из гидрида урана по реакции (нитрид церия и диспрозия – реакция аналогичная): Получение моно нитрида урана из гидрида урана по реакции (нитрид церия и диспрозия – реакция аналогичная):

Предварительные исследования Микроструктура порошка моно нитрида урана (а), микроструктура спеченной таблетки из моно нитрида урана (б) Микроструктура таблетки UN-10 мас. %CeN (а), микроструктура спеченной таблетки UN-20 мас. %CeN (б) Модельное нитридное топливо с имитатором нитрида плутония (нитрид церия) UN-10 мас. %CeN (в), микроструктура спеченной таблетки UN-20 мас. %CeN (г)

Модельное нитридное топливо с имитатором нитрида америция а) Микроструктура таблетки UN-10 мас. %DyN Микроструктура таблетки UN-10 мас. %DyN и карты распределения элементов. Белые выделения – оксидная фаза, окисление происходит даже в ходе кратковременного пребывания на воздухе во время переноски образцов из аргонового бокса в микроскоп. За счет недостаточной гомогенизации большое количество нитрида диспрозия не растворилось в нитриде урана. Впоследствии нитрид диспрозия окислился.

Рентгеновский фазовый анализ Состав Вычисленный a, нм Справочный a, нм UN – 10 % DyN0,48990,4885 UN–10 % CeN0,49050,4908 UN–20 % CeN0,49170,4919 Растворение PuN в UN приводит к возрастанию параметра решетки, т.е. близким аналогом будет материал, который вызывает возрастание параметра решетки нитрида урана близкое по значению к PuN. При небольших концентрациях нитрида плутония (до 20 мол. %), наиболее близким материалом аналогом может рассматриваться нитрид церия. Все нитриды лантаноидов и актиноидов образуют между собой непрерывные ряды твердых растворов, что подтверждается общим правилом Юм-Розери.

Выводы На основании оценки физико-химических и термодинамических свойств выбраны лантаноиды, являющиеся ближайшими аналогами актиноидов. Аналогами плутония являются церий и иттрий, а аналогами америция – диспрозий. Введение этих элементов в моно нитрид урана позволяет получать модельное СНУП-топливо для изучения ряда его свойств; Разработана методика получения модельного СНУП-топлива на основе нитридов лантаноидов и моно нитрида урана. Методом гидрирования-дегидрирования-нитрования получены порошки нитрида урана, церия, иттрия и диспрозия, проведено их смешение, прессование и спекание, получены образцы модельного нитридного ядерного топлива с имитацией плутония и америция заданного состава; По результатам структурных исследований показано, что все образцы представляют собой твердый раствор нитридов РЗЭ в нитриде урана.