Reaktortechnika A reaktortechnikában használatos anyagok I. Üzemanyagok
Bevezetés • A ma elterjedt energetikai reaktorokban majdnem kizárólag UO2 vagy MOX (Mixed Oxid Fuel: UO2 +PuO2), illetve gadolíniummal kevert UO2 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: 1017 g, óceánok: 1013 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/cm3 • 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)
Urán Radiációs méretnövekedés a neutronsugárzás és a hasadási folyamatok következtében
Urán Gázos duzzadás (swelling) • xenon- és kriptonizotópok • 1 cm3 uránban 1%-os kiégés alatt 1,73 cm3 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
Plutónium Mechanikai jellemzık • 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 (PuH3) 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
Keramikus és diszperziós üzemanyagok • Hıvezetı-képesség: – UO2 és UC esetében csökken, – UN esetében nı a hımérséklet növekedésével
Uránoxid (UO2) • Térközepes köbös térrács
Uránoxid (UO2) • • • • • •
„Barna só” Sztöchiometrikus üzemanyag (O/U = 2) Szupersztöchiometrikus üzemanyag (O/U < 2) (UO2-x) Hiposztöchiometrikus üzemanyag (O/U > 2) (UO2+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/cm3 • Tényleges sőrőség: 8,8-10,4 g/cm3
Uránoxid (UO2) Argongázban 1450 °C-on szinterelt uránoxid sőrősége
Uránoxid (UO2) Hıtágulás
Uránoxid (UO2) Fajhı
Uránoxid (UO2) Hıvezetési tényezı – alacsonyabb a fémuránénál
Uránoxid (UO2) Hıvezetési tényezı
Uránoxid (UO2) 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 (UO2)
Uránoxid (UO2)
Uránoxid (UO2) • Korrózióállóság, összeférhetıség és sugárzási stabilitás: jobb, mint a fémuráné
Uránoxid (UO2)
MOX üzemanyag
Legtöbb tulajdonsága hasonló az uránoxidéhoz
Urán-gadolíniumoxid üzemanyag • Reaktivitás-kompenzálás: kiégı abszorbensek, kiégı mérgek (B4C Al2O3 mátrixban, bóracél, Gd2O3 UO2 mátrixban) • Csökkenı hıvezetési együttható a gadolíniumtartalom növekedésével • Csökkenı olvadáspont a gadolíniumtartalom növekedésével • Kissé nagyobb fajhı
Karbid üzemanyagok • UC, UC2 , UC3 • UC (uránmonokarbid): 25-30%-kal nagyobb sőrőségő, mint az UO2 • UC: az UO2-nél 10-szer nagyobb hıvezetési tényezı, amely nı a hımérséklet növekedésével • Nagy sugárállóság • Vizes környezetben nem használható • Gázhőtéső reaktorok üzemanyaga
