Reaktortechnika A reaktortechnikában használatos anyagok I. Üzemanyagok
Bevezetés A ma elterjedt energetikai reaktorokban majdnem kizárólag UO 2 vagy MOX (Mixed Oxid Fuel: UO 2 +PuO 2 ), illetve gadolíniummal kevert UO 2 üzemanyag Korábban: fémüzemanyag is Jövıben: keramikus üzemanyagok
Urán Szurokérc (pichblende) Becquerel fotólemeze Földkéreg: 3 ppm (gyakoribb, mint az ón, kadmium, higany, ezüst (40x)) Össztömeg: kéreg: 10 17 g, óceánok: 10 13 g
Urán
Urán
Urán Anyagszerkezeti és fizikai jellemzık Három allotróp módosulat: α-fázis: ortorombos kristály (668 C alatt) β-fázis: tetragonális kristály (668 és 775 C közöt t) γ-fázis: térközepes köbös kristály (775 C felett) Elméleti sőrőség (25 C-on): 19,04 g/cm 3 Gyakorlati sőrőség: 18,5-19,0 g/cm 3 Olvadáspont: 1129 C Forráspont: 3818 C
Urán Rácsállandók hımérséklet-függése Hıtágulás anizotrópiája (kisebb mértékben a másik két fázisban is)
Urán Fázisváltáskor ugrásszerő (kb. 1%-os) térfogatváltozás
Urán Anyagszerkezeti és fizikai jellemzık Termikus ciklusok sorozata (váltakozó felmelegítés és lehőtés) méretváltozást, duzzadást okoz felülete érdessé válik, repedések jelentkeznek rajta törekvés: reaktor üzeme alatt lehetıleg egyetlen fázison belül (T < 668 C) kell maradni A hıvezetési tényezı nı a hımérséklet növekedésével 100 C-on: 0,24-0,26 W/cm/K 600 C-on: 0,33-0,35 W/cm/K
Urán Mechanikai jellemzık A metallurgiai elıélet (megmunkálás, hıkezelés, szennyezık) függvénye Nagyon tiszta α-egykristály: rendkívül képlékeny Technikai minıségő urán: kemény és rideg (különösen 150 C alatt) Szilárdság: csökken a hımérséklet növekedésével, de az α-β átkristályosodási hımérsékleten ugrásszerően megnı
Urán Összeférhetıség (kompatibilitás): erısen függ a hımérséklettıl alumínium: 200 C alatt rozsdamentes acél: 500 C alatt cirkónium, nióbium: nagyon jó kompatibilitás 700, illetve 600 C-ig
Urán Összeférhetıség (kompatibilitás)
Radiációs méretnövekedés a neutronsugárzás és a hasadási folyamatok következtében Urán
Urán Gázos duzzadás (swelling) xenon- és kriptonizotópok 1 cm 3 uránban 1%-os kiégés alatt 1,73 cm 3 normál állapotú semleges gáz keletkezik magas hımérsékleten nagy nyomás 400 C felett a legfontosabb sugárhatás
Plutónium Anyagszerkezeti és fizikai jellemzık Olvadáspont: 640 C Forráspont: 3227 C Hat allotróp módosulat
Mechanikai jellemzık Plutónium Szobahımérsékleten nagy szilárdság és kis képlékenység (meglehetısen rideg) δ-fázisban (310-450 C között) nagy képlékenység Kompatibilitás Rosszabb, mint az uráné Gázokkal szemben reaktívabb, mint az urán Hidrogénnel 200 C-on gyorsan reagál és plutóniumhidridet (PuH 3 ) képez A tömör plutónium már 300 C-on meggyulladhat A plutóniumpor szobahımérsékleten is piroforos
Plutónium Kellemetlen mechanikai tulajdonságok α-sugárzás hasadóképesség tiszta állapotban a plutónium nem használható nukleáris üzemanyagként Lehetséges anyagforma: urán-plutónium ötvözetek, kiegészítı ötvözı: molibdén (14-20%) vagy alumínium
Keramikus és diszperziós üzemanyagok (Urán, plutónium, tórium) + (oxigén, szén, nitrogén) Elınyök alacsony hımérsékleti fázisátalakulások hiánya magasabb olvadáspont duzzadás elmaradása jó sugárállóság nagyobb méret- és geometria-stabilitás relatív kémiai közömbösség korrózióállóság kompatibilitás a burkolattal
Keramikus és diszperziós üzemanyagok Csoportosításuk oxid alapú kerámiák nemoxid alapú keramikus anyagok (karbidok, nitridek, stb) grafitban vagy más semleges mátrixban diszpergált keramikus anyagok Keramikus anyagok elıállítása Porítás, sajtolás, szinterelés
Keramikus és diszperziós üzemanyagok Hıvezetı-képesség: UO 2 és UC esetében csökken, UN esetében nı a hımérséklet növekedésével
Térközepes köbös térrács Uránoxid (UO 2 )
Uránoxid (UO 2 ) Barna só Sztöchiometrikus üzemanyag (O/U = 2) Szupersztöchiometrikus üzemanyag (O/U < 2) (UO 2-x ) Hiposztöchiometrikus üzemanyag (O/U > 2) (UO 2+x ) Tulajdonságai nagymértékben függnek az O/U aránytól Elıállítása: hidegsajtolás, 1300-2000 C közötti szinterelés hélium, argon vagy hidrogén atmoszférában Olvadáspontja: max. 2880 C, a kiégési szint növekedésével csökken Elméleti sőrőség: 10,96 g/cm 3 Tényleges sőrőség: 8,8-10,4 g/cm 3
Argongázban 1450 C-on szinterelt uránoxid sőrősége Uránoxid (UO 2 )
Hıtágulás Uránoxid (UO 2 )
Fajhı Uránoxid (UO 2 )
Uránoxid (UO 2 ) Hıvezetési tényezı alacsonyabb a fémuránénál
Hıvezetési tényezı Uránoxid (UO 2 )
Uránoxid (UO 2 ) Mechanikai tulajdonságok alapvetıen rideg anyag 1600 C felett kezd képlékennyé válni Az alacsony hıvezetési együttható következtében kialakuló magas hımérsékletek a nagy hıtágulási együttható miatt nagy hıfeszültségeket hoznak létre, eredmény: üzem közbeni repedezés
Uránoxid (UO 2 ) Korrózióállóság, összeférhetıség és sugárzási stabilitás: jobb, mint a fémuráné
MOX üzemanyag Legtöbb tulajdonsága hasonló az uránoxidéhoz
Urán-gadolíniumoxid üzemanyag Reaktivitás-kompenzálás: kiégı abszorbensek, kiégı mérgek (B 4 C Al 2 O 3 mátrixban, bóracél, Gd 2 O 3 UO 2 mátrixban) Csökkenı hıvezetési együttható a gadolíniumtartalom növekedésével Csökkenı olvadáspont a gadolíniumtartalom növekedésével Kissé nagyobb fajhı
Karbid üzemanyagok UC, UC 2, UC 3 UC (uránmonokarbid): 25-30%-kal nagyobb sőrőségő, mint az UO 2 UC: az UO 2 -nél 10-szer nagyobb hıvezetési tényezı, amely nı a hımérséklet növekedésével Nagy sugárállóság Vizes környezetben nem használható Gázhőtéső reaktorok üzemanyaga