Влияние внутритвэльной среды топлива повышенного выгорания на коррозионное растрескивание под напряжением оболочек твэлов

Сотников А.С., Богомолов А.А. (МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия)

Введение

В настоящее время считается установленным, что коррозионное растрескивание под напряжением оболочек твэлов ядерных энергетических реакторов обусловлено коррозией под напряжением (КРН) при воздействии иода [1, 2]. Поскольку иод и другой продукт деления – цезий образуют термодинамически прочное соединение иодид цезия, было показано, что одним из механизмов образования свободного иода является радиолиз иодида цезия в атмосфере инертных газов [3–5].

Вместе с тем в процессе выгорания топлива происходит накопление агрессивных по отношению к оболочке продуктов деления и увеличение концентрации высвобожденного кислорода в зазор топливо-оболочка. Роль свободного кислорода и других продуктов деления для процесса радиолиза иодида цезия требует также рассмотрения и учета в общем балансе механизмов, влияющих на концентрацию свободного иода и, в конечном счете, на возможность проявления эффекта КРН [6–8].

Необходимо отметить, что механизм выделения продуктов деления и их дальнейшее воздействие на оболочку твэла достаточно широко изучен. Тем не менее его понимание очень важно для оценки работоспособности твэлов энергетических реакторов.

Проблема может стать серьезным препятствием при работе твэлов в условиях высокого выгорания с продленной кампанией и эксплуатации АЭС в переходных и маневренных режимах, включая режимы слежения за нагрузкой до выгораний 70 МВт сут/кгU и выше.

С целью дальнейшего повышения эксплуатационной надежности твэлов ВВЭР разрабатываются пути их совершенствования.

Важным условием усовершенствования их характеристик является обеспечение критериев безопасности эксплуатации твэлов, среди которых одним из определяющих является критерий коррозионного растрескивания под напряжением в присутствии агрессивных продуктов деления (J, Cs и др.): напряжение в оболочке не должно достигать пороговых значений роста трещины по механизму КРН.

1. Накопление иода в диоксиде урана зависимости от выгорания топлива

Кинетика накопления иода в диоксиде урана в зависимости от выгорания топлива представлена на рис. 1 согласно данным [9–10].

Рис. 1 Кинетика накопления иода в диоксиде урана в зависимости от выгорания топлива

Результаты расчетов выделения стабильных изотопов иода в зазор топливооболочка в наиболее напряженном твэле ВВЭР-1000 при стационарном режиме эксплуатации показали, что максимальная концентрация их при выгорании 55,3 МВт сут/т U составляет  0,40 мг/см2. и определяется условиями выделение газообразных продуктов деления (Хе, Кr).

По-видимому, скорость образования иода будет низкой при условии работы реактора при постоянной мощности (стационарные условия эксплуатации) и выделение иода в свободном объеме твэла будет подавляться взаимодействиями с другими продуктами деления. И химическая активность иода, вероятно, может привести к сохранению его в топливе в виде стабильных соединений.

Когда мощность твэла увеличивается, выделение продуктов деления повышается скачкообразно и количество их зависит от выгорания на пониженной мощности. Увеличение температуры твэла при повышении мощности приводит к образованию тангенциальных напряжений в оболочке при взаимодействии термически расширяющегося топлива (UO2) с циркониевой оболочкой, сопровождаемого их коррозионным растрескиванием под напряжением.

Если рассматривать выделения иода из диоксида урана как мгновенный процесс вследствие повышения мощности и пренебречь одновременным образованием различных соединений, связывающих иод, то концентрация иода в свободном пространстве твэла может достигнуть величины необходимой для коррозионного растрескивания циркониевой оболочки.

2. Влияние накопленного кислорода в зазоре топливо-оболочка на выход иода

В твэле наблюдается конкурирующий характер взаимодействия кислорода и иода с циркониевым сплавом. Образование поверхностной пленки ZrO2 может воспрепятствовать прямому доступу иода к циркониевому сплаву. Интенсивность взаимодействия будет определяться поступлением обоих реагентов (кислорода и иода) к поверхности оболочки и кинетикой реакции, зависящей от температуры. Если образование сплошного слоя ZrO2 на поверхности оболочки оказывается невозможным из-за достаточно высокого парциального давления иода, то происходит зарождение и распространения трещин, которое может привести к хрупкому коррозионному разрушению циркониевого сплава.

При этом установлено, что в присутствии оксидных соединений иодид цезия разлагается на элементарные иод и цезий, причем степень разложения и результирующее парциальное давление иода непосредственно зависят от кислородного потенциала топлива [3, 4]. В экспериментах парциальное давление кислорода изменяли в пределах от 13,3 Па до 13,3 КПа.

Расчет радиолиза CsI в газовой фазе в зазоре топливо-оболочка показал, что по мере роста концентрации кислорода количество свободного иода в газовой фазе значительно уменьшается согласно следующим радиационно-химическим реакциям в твэле в присутствии кислорода:

и образовавшиеся Cs+ и I– рекомбинируют в CsI:

Таким образом, вызванное присутствием иода коррозионное растрескивание оболочечных циркониевых сплавов можно предотвратить повышением кислородного потенциала, значение которого в реальном твэле увеличивается с повышением выгорания.

Так как парциальные концентрации Cs, I, O2 и CsI, в газовой фазе твэла на много порядков ниже концентрации гелия в твэле, действие облучения в основном приводит к ионизации и возбуждению атомов гелия. Последующие химические реакции ионов и возбужденных атомов Не с молекулами CsI и O 2 вызывают их разложение и появление свободных Сs, I, O.

Следовательно, с увеличением выгорания топлива в связи с увеличением парциального давления кислорода, поступающего из газовой фазы в зазоре топливооболочка и уменьшением концентрации свободного иода вероятность процесса КРН циркониевых оболочек уменьшается.

С повышением выгорания возможно поступление кислорода в газовую фазу в зазоре топливо оболочка в количестве до 0,0001 моль O2 на моль UO2. [8] В таком случае будет происходить «тушение» возбужденных Хе* и Хе2* на молекулах кислорода. Образующиеся при этом ионы и возбужденные молекулы кислорода имеют энергию возбуждения, недостаточную для разложения соударяющихся с ними молекул иодида цезия, что может привести по мере увеличения выгорания к замедлению накопления в газовой фазе атомарного и молекулярного иода и даже к уменьшению их парциальных давлений.

Этот вывод подтверждают проведенные эксперименты по радиолизу CsJ в атмосфере гелия (давление 15,0 МПа) при температуре 380 С в присутствии примеси кислорода. Так как константы скоростей реакций Хе* и Хе2* и CsJ с кислородом приблизительно одинаковы, содержание атомарного и молекулярного иода в зазоре уменьшается приблизительно в 2,0–2,5 раза при равенстве парциальных давлений CsJ и кислорода.

На рисунке 2 представлены результаты расчетов выхода разложения CsI (G) в зависимости от концентрации кислорода (• – эксперимент; кривая – теоретический расчет). Как видно из рисунка, кривая достаточно хорошо описывает экспериментальные данные.

Рис. 2 Изменение концентрации иода в зазоре топливо-оболочка  в зависимости от концентрации кислорода

Пределы возможной концентрации кислорода в газе можно оценить по толщине оксидной пленки (ZrO2), образующейся на внутренней поверхности оболочки в процессе работы реактора.

Данные (12) , полученные в ГНЦ РФ НИИАР по оценке толщины оксидной пленки на внутренней поверхности оболочек твэлов ТВС реактора ВВЭР (ВВЭР-440 и ВВЭР-1000), свидетельствует о слабой зависимости толщины оксидной пленки в исследуемом диапазоне выгораний 19,6 – 48 МВт·сут/кгU (рис. 3).

Рис. 3 Зависимость толщины оксидной пленки на внутренней поверхности  оболочек твэлов ВВЭР от выгорания (представлены максимальные  значения толщин оксидной пленки по длине и сечению твэла)

Если предположить, что рост окисла (ZrO2) на внутренней поверхности оболочки происходит за счет кислорода, поступающего из газовой фазы топливо-оболочка, то можно рассчитать минимальную и максимальную парциальные концентрации кислорода в газовой фазе. Эти значения составили соответственно: О2min=310-17моль/см3 и О2max = 510-5 моль/см3.

Таким образом расчетно–экспериментальные исследования разложения CsI в газовой фазе топливо-оболочка показали, что по мере роста концентрации кислорода количество свободного иода в газовой фазе значительно уменьшается (рис. 2) и при увеличении парциальных значений кислорода в указанных пределах парциальная концентрация иода в зазоре топливо-оболочка уменьшается более чем на два порядка. И по-видимому, последнее может способствовать повышению времени до разрушения и пороговых напряжений разрушений циркониевых оболочек в условиях коррозионного растрескивания.

Заключение

1. Представлены литературные данные по накоплению иода в диоксиде урана в зависимости от выгорания топлива и расчетные значения выделения стабильных изотопов иода в наиболее напряженном твэле реактора ВВЭР-1000.
2. Показано, что одним из механизмов образования свободного иода является радиолиз термодинамически прочного соединения иодида цезия.
3. Анализ толщины оксидной пленки на внутренней поверхности оболочек твэлов реактора ВВЭР-1000 свидетельствует о том, что сплошная оксидная пленка достигает значений от 8 до 15 мкм при выгорании до 48,0 МВт·сут./кгU. Если предположить, что если рост оксида (ZrO2) происходит за счет кислорода, поступающего из газовой фазы топливо-оболочка, то расчетные значения минимальных и максимальных парциальных концентраций кислорода в газовой фазе составляют  3 ·10-17моль/см3 и 5 ·10-5 моль/см3 соответственно.
4. Расчетно-экспериментальные исследования разложения иодида цезия в газовой фазе зазора топливо-оболочка твэла показали, что в твэлах с повышенным выгоранием топлива в связи с увеличением парциального давления высвобожденного кислорода, поступающего в зазор топливо-оболочка в указанном диапазоне концентраций кислорода, реальная концентрация иода под оболочкой твэла уменьшается более чем на два порядка.
5. Установлено, что с увеличением выгорания топлива динамика радиационнохимических процессов под оболочкой твэла с участием кислорода, иода, иодида цезия и инертных газов (Xe, Kr, He) приводит к уменьшению выхода свободного иода и, как следствие, может способствовать увеличению времени до разрушения и значений пороговых напряжений разрушений циркониевых оболочек по механизму коррозионного растрескивания под напряжением.

Список литературы

1. Головнин И.С., Новиков В.В. Работоспособность твэлов при изменении мощности энергетических реакторов. Атомная техника за рубежом, 1984, №3, с. 3–13.
2. Бибилашвили Ю.К., Сотников А.С. Внутриреакторные исследования коррозии под напряжением в иоде оболочек твэлов типа ВВЭР из сплава Zr-1%Nb. IAEA – SM228/63. Viena 1987., p. 409–419.
3. Бибилашвили Ю.К., Сотников А.С. и др. Доклад на совещании комитета МАГАТЭ по внутритвэльной химии по поведению продуктов деления в твэлах водоохлаждаемых реакторов, Карлсруэ, ФРГ, 1985.
4. Бибилашвили Ю.К., Сотников А.С. и др. Исследование радиационно-термического разложения иодида цезия и коррозионного растрескивания оболочек твэлов ВВЭР при гамма-облучении. Атомная энергия, т. 61, вып. 2, с.93–95, август1986 г.
5. Yu.K. Bibilashvili, V.V. Novikov, A.S.Sotnikov et al. Out-of-pile Investigation of Cladding Behaviour for WWER-type Fuel Element in Atmosphere Simulating Fission Products (I,Cs). Res Mechanica, 17 (1986), р. 11–20.
6. Куликов И.А., Малышев М.Л. Радиационно-химическое разложение иодида цезия. Атомная энергия, 1983 г., вып.5, с. 316–318.
7. Cubicciotti D. and Davis J. The Release of Iodine Salt by Gamma Radiolisis. Nucl. Sci. and Eng., v. 60, № 3, p. 314.
8. Kleykamp H.Y. Journal of Nucl. Mater. , 1990, Vol.116, № 2, P. 181–188.
9. Garlick A. Stress corrosion cracking of Zirconium Alloys in Iodine vapour. In: Conference on Effect of Environment on Material Properties in Nuclear Systems. British Nuclear Energy Society. 1971. Paper № 3.
10. Bob van der Schaaf. Fracture of Zircaloy-2 in an Environment Containning Iodine. Zirconium in Nuclear Applications. ASTM STP 551. 1974. p. 479–494.
11. А.С. Сотников, В.В. Новиков, А.В. Медведев, В.М. Филин Влияние внутритвэльной среды высокого выгорания топлива на разрушение оболочек при коррозионном растрескивании под напряжением. Тезисы доклада на конференции МАЯТ – 2010.
12. D.V.Markov, E.A.Zvir, V.S.Polenok, V.A.Zhitelev and others. State of Fuel Rods Spent in tfe WWER-1000 Reactor up to a Fuel Burnup of 75 MW Day/kgU. 9tthInternational Conference on WWER Performance, Modelling and Experimental Support. 17–24 September 2011, Bulgaria.