Содержание к диссертации
Введение
1 Экспериментальные и расчетные исследования выхода радиоактивных продуктов деления из топливного расплава. Состояние вопроса. 9
1.1 Общая характеристика процессов при тяжелой аварии с плавлением активной зоны реактора 9
1.2 Экспериментальные исследования выхода ПД 14
1.2.1 Внутриреакторные эксперименты 15
1.2.2 Внереакторные эксперименты 27
1.2.3 Выход ПД во время аварии TMI-2 40
1.3 Моделирование процессов выхода радиоактивных продуктов деления из топливного расплава 42
1.3.1 Обзор моделей 42
1.3.2 Обзор компьютерных кодов 47
2 Методики экспериментальных исследований 50
2.1 Экспериментальная установка 51
2.1.1 Схемы газоаэрозольных систем в серии экспериментов ПД-0 +ПД-4 по проекту FPRMP . 52
2.1.2 Схема газоаэрозольной системы в серии экспериментов по проекту LPP 57
2.2 Пост тест анализ 62
2.2.1 Гравиметрия, массовый баланс и определение массовой концентрации аэрозолей по навескам на фильтрах 62
2.2.2 Анализ элементного состава проб кориума и аэрозолей 65
2.2.3 Анализ дисперсного состава и морфология аэрозолей 70
2.2.4 SEM7EDX анализ 76
3 Результаты проведенных исследований и их анализ 78
3.1 Серия экспериментов ПД-0 *- ПД-4 по проекту FPRMP 78
3.1.1 Процедура экспериментов 79
3.1.2 Результаты пост тест анализов 94
3.1.3 Обсуждение результатов экспериментов 112
3.1.4 Выводы по экспериментам ПД-0 -*- ПД-4 проекта FPRMP 117
3.2 Серия экспериментов WP2-1 - WP2-3/2 по проекту LPP 119
3.2.1 Процедура экспериментов 120
3.2.2 Результаты пост тест анализов 137
3.2.3 Обсуждение результатов экспериментов 180
3.2.4 Выводы по экспериментам WP2-1 + WP2-3/2 проекта LPP 200
4 Валидация расчетных кодов, моделирующих выход ПД из топливного расплава 205
4.1 КодМЕШЖ 205
4.2 КодЕЬБА 206
4.3 KoflRELOS 207
Заключение
- Экспериментальные исследования выхода ПД
- Схемы газоаэрозольных систем в серии экспериментов ПД-0 +ПД-4 по проекту FPRMP
- Выводы по экспериментам ПД-0 -*- ПД-4 проекта FPRMP
- КодЕЬБА
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Развитие ядерной энергетики предъявляет все более жесткие требования к обеспечению безопасности АЭС. При обосновании безопасности возможные радиационные аварии в соответствии с ОПБ-88 принято разделять на проектные, для которых проектом определены исходные события и конечные состояния и предусмотрены системы безопасности, обеспечивающие, с учетом принципа единичного отказа систем безопасности или одной ошибки персонала, ограничение ее последствий установленными для таких аварий пределами, и запроектные (тяжелые аварии), вызванные не учитываемыми для проектных аварий исходными событиями или сопровождающиеся дополнительными по сравнению с проектными авариями отказами систем безопасности сверх единичного отказа, реализацией ошибочных решений персонала, которые могут привести к тяжелым повреждениям или к расплавлению активной зоны и выходу радиоактивных продуктов деления (РПД) за пределы защитной оболочки реактора.
Тяжелая авария, приводящая к плавлению активной зоны, может быть следствием маловероятных случаев наложения исходных событий (разрыв трубопроводов I контура, полное обесточивание и т.п.) и независимых отказов соответствующих систем безопасности. Однако вследствие крайне тяжелых радиационных и социально-экономических последствий тяжелые аварии могут вносить заметный вклад в общую величину риска от эксплуатации АЭС.
Для АЭС с ВВЭР тяжелая авария может развиваться следующим образом:
Потеря эффективного охлаждения активной зоны.
Плавление активной зоны, перемещение расплава на днище корпуса и образование бассейна расплава.
Выход расплава за пределы корпуса реактора.
Повреждение защитной оболочки и выход продуктов деления за ее пределы.
После тяжелых аварий на АЭС ТМІ, США в 1979 г. и на Чернобыльской АЭС в 1986 г. анализ последствий тяжелых аварий и способов их ограничения стал важнейшей составляющей обоснования безопасности.
Выход радиоактивных продуктов деления на поздней стадии тяжелой аварии за пределы защитной оболочки реактора обуславливает техногенные радиационные нагрузки от аварийного энергоблока на персонал и население. Основными показателями состояния радиационной безопасности в регионе при аварии, согласно Федеральному закону «О радиационной безопасности населения», являются:
масштаб радиационной аварии,
степень готовности к эффективной ликвидации радиационных аварий и их последствий,
анализ доз облучения, получаемых отдельными группами населения,
число лиц, подвергшихся облучению выше установленных пределов доз облучения.
Для расчетного прогноза перечисленных показателей необходимы обоснованные данные по выходу радиологически значимых радионуклидов из поврежденной, в том числе, расплавленной активной зоны в окружающую среду. Для расчета поступления радионуклидов в окружающую среду надо знать их коэффициенты выхода из активной зоны в экосистему через различные защитные барьеры, например, из топлива в 1-й контур, из 1-го контура в контайнмент и из контайнмента в окружающую среду. Такие данные в настоящее время имеются для условий проектных аварий и для части радионуклидов в условиях тяжелой аварии - для большинства летучих РПД (РБГ, иод, цезий, рубидий и др.), которые испаряются на стадии разгерметизации ТВЭлов, деградации активной зоны и формирования ванны топливного расплава.
Выход низколетучих продуктов деления, таких как Ва, Sr, La, Се, изотопов платиновой группы (Ru), лантаноидов и актиноидов, из высокотемпературной ванны расплава активной зоны пока еще изучен недостаточно, в частности, из-за чрезвычайно сложной техники проведения экспериментальных исследований при высоких температурах. С другой стороны, в настоящее время отсутствует законченная теория, описывающая механизмы испарения оксидных расплавов, а также выход ПД по сопутствующим механизмам (капельный выброс, повторный унос со стенок и пр.). Сложность процесса испарения оксидных систем проявляется в том, что лишь немногие оксиды испаряются по одной химической схеме (конгруэнтно). Большинство имеющихся опытных данных по испарению оксидов получены классическим методом Кнудсена (эффузионным методом испарения в вакууме) /1/ и относятся к индивидуальным оксидам, большей частью, находящимся в твердом виде. Эти данные трудно распространить на многокомпонентные расплавы оксидов, характерные для условий тяжелой аварии.
Крайне скудны данные о влиянии состава атмосферы над расплавом на скорость испарения его компонентов и характеристики образующихся аэрозолей. Поскольку большинство низколетучих продуктов деления распространяется в окружающей среде в твердой аэрозольной форме, знание характеристик аэрозолей, например, их распределения по размерам в значительной степени определяет корректность прогноза радиационной обстановки.
Отметим, что количественные характеристики выхода радионуклидов, характеристики образующихся аэрозолей и их физико-химические свойства нужно знать не только и, зачастую, не столько для прогноза радиационных последствий аварий, но и для разработки в проектах мер по управлению аварией и, в частности, для разработки соответствующих систем безопасности и систем подавления радиоактивного выброса. В качестве примера можно привести
систему УПАК, которой оснащены действующие реакторы РБМК, и аэрозольный фильтр контайнмента, которым планируется оснащать некоторые АЭС. Наряду с поведением продуктов деления важно знать поведение основных составляющих расплава, например, оксидов урана, поскольку они обуславливают общий выход аэрозольной массы в первый контур/контайнмент и последующие аэрозольные нагрузки, влияющие на эффективность функционирования важных для безопасности систем, таких как система пассивного отвода тепла от контайнмента (СПОТ), каталитические рекомбинаторы водорода, спринклерные системы и пр.
Перечисленные обстоятельства определяют актуальность исследований по выбранной теме.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Целью работы является определение качественных и количественных характеристик выхода продуктов деления и материалов активной зоны из топливного расплава в газовую фазу. Для достижения указанной цели в работе решаются следующие задачи:
разработка методики экспериментального исследования и получение данных по выходам оксидов урана, малолетучих продуктов деления и поглощающего материала активной зоны (оксид бора) из оксидного расплава, имитирующего по составу расплав активной зоны и внутрикорпусных устройств (расплав кориума) на заключительной стадии тяжелой аварии;
определение влияния на выход продуктов деления условий аварии, в том числе, состава кориума, температуры расплава, состава и характера циркуляции газовой среды над расплавом;
систематизация экспериментальных данных и их использование для валидации расчетных кодов, описывающих выход компонентов расплава при тяжелых авариях;
разработка рекомендаций по снижению выхода продуктов деления при тяжелой аварии на АЭС с ВВЭР, в частности, ВВЭР-1000, оснащенной устройством локализации расплава.
ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ. На защиту выносятся:
1. Методика экспериментального исследования выхода продуктов деления и
оксидов урана из расплава кориума, разработанная на основе метода индукционной высокочастотной плавки в холодном тигле.
2. Выявленные качественные закономерности по выходу радиоактивных
материалов, в том числе:
увеличение скорости испарения оксидов урана и некоторых продуктов деления при окислении расплава кориума, исходно содержащего неокисленные компоненты,
снижение скорости испарения некоторых продуктов деления при введении в расплав соответствующих стабильных изотопов.
3. Количественные результаты по выходу оксидов урана, бора и продуктов
деления, таких как SrO, ВаО, ЬагОз, СеОг, из расплава кориума при различных составах и температурах расплава, а также атмосфере над ним.
4. Рекомендации по снижению выхода некоторых продуктов деления из
расплава кориума, реализованные при создании устройства локализации расплава для АЭС с ВВЭР.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Впервые в практике экспериментального исследования процессов, происходящих при тяжелой аварии:
- разработана и реализована методика экспериментального исследования выхода
РПД с применением метода индукционной высокочастотной плавки кориума широкого диапазона составов в холодном тигле (ИПХТ), имеющего важные преимущества с точки зрения как расширения температурного диапазона исследований, так и обеспечения стабильного состава урансодержащего расплава кориума;
- экспериментально установлено определяющее влияние кислородного
потенциала расплава на скорость испарения оксидов урана и некоторых
продуктов деления;
- экспериментально показано, что введением в расплав кориума стабильного
изотопа стронция можно уменьшить испарение его радиоактивных изотопов;
- подтверждена эффективность жертвенного материала (ЖМ) ловушки расплава
АЭС с ВВЭР-1000 в части его влияния на ограничение выхода РПД.
Приоритеты на новый оксидный керамический материал, бетон и цемент для ловушки расплава активной зоны, а также на способ ограничения выхода из расплава продуктов деления защищены патентами в РФ и в Китае.
СТЕПЕНЬ ОБОСНОВАННОСТИ И ДОСТОВЕРНОСТИ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ. Обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается проведенными экспериментальными исследованиями с расплавами прототипного кориума с использованием современного измерительного оборудования и методик. Достоверность полученных экспериментальных результатов обуславливается применением метрологически аттестованных методик, автоматизированных приборных и измерительных комплексов, анализом погрешностей измерений и подтверждается сравнением с результатами других авторов.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ
Результаты работы были доложены и обсуждены на национальных и международных конференциях, семинарах, и совещаниях, в том числе: на международной конференции по исследованию тяжелых аварий в Японии, SARJ-99 (Токио, ноябрь 4-6, 1998); на международной конференции ОЭСР по внекорпусному захолаживанию кориума (Карлсруе, Германия, ноябрь 15-18, 1999); на научно-техническом совещании «Электротермия-2000» (Санкт-Петербург, июнь 6-7, 2000); на научно-практическом семинаре «Вопросы безопасности АЭС с ВВЭР» (Санкт-Петербург, сентябрь 12-14, 2000); на регулярных международных совещаниях экспертов МНТЦ по управлению проектами по исследованию кориума; на всероссийской конференции "Процессы горения и взрыва в физикохимии и технологии неорганических материалов"(Москва, 24-27 июня 2002 г.); на регулярных совещаниях рабочей группы управления проектами по выходу продуктов деления из расплава кориума по 4-ой и 5-ой рамочным программам европейского сообщества в 1996-2003 гг.
ФАКТИЧЕСКАЯ ОСНОВА РАБОТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.
Фактическую основу работы составили данные серий экспериментов,
выполненных автором в 1985 -1993 годах в ВО ВНИПИЭТ и в 1993 - 2005 г. в
НИТИ им. А.П. Александрова согласно ежегодным отраслевым планам НИР и
ОКР Министерства РФ по атомной энергии, по договорным НИОКР, а также по
международным грантам и программам. В качестве методов исследования в пост
тест анализах твердых продуктов экспериментальных плавок использовали:
рентгенофлуоресцентный анализ, оптическую и электронную микроскопию,
і рентгеноспектральный микроанализ, порошковую дифрактометрию, гамма-
спектрометрию, альфа-радиометрию, масс-спектрометрию с индуктивно связанной плазмой. Аэрозольные частицы исследовали импакционным методом, оптической и электронной микроскопией, альфа-радиометрией и гамма-спектрометрией, методом лазерного малоуглового рассеяния света.
ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА. Автор принимал непосредственное участие на всех этапах работы, изложенной в диссертации:
применил технологию индукционной плавки оксидов в холодном тигле для изучения процессов выхода продуктов деления из расплава кориума,
разработал методики исследования,
руководил и принимал личное участие в модернизации установки «Расплав-2» для исследования выхода из расплава продуктов деления,
разработал и реализовал газоаэрозольную аналитическую систему для пробоотбора и регистрации вышедших из расплава кориума аэрозолей и продуктов деления,
участвовал в проведении экспериментов, обработке и анализе их результатов, верификации расчетных моделей,
разработал рекомендации по снижению выхода продуктов деления при тяжелой аварии на АЭС.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ. Результаты, полученные автором, использованы для решения важных прикладных задач, в том числе:
верифицированные по данным, полученным автором, расчетные методики, описывающие выход продуктов деления из расплава кориума, использованы при анализе тяжелых аварий и обосновании безопасности АЭС,
базы данных по выходу продуктов деления из расплава кориума дополнены полученными автором результатами,
рекомендации по снижению выхода продуктов деления при тяжелой аварии использованы при проектировании и сооружении АЭС с ВВЭР-1000 в Китае (Тяньваньская АЭС) и в Индии (АЭС «Куданкулам»).
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ.
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, 2 приложений, имеет общий объем 244 страницы, содержит 74 таблицы, 128 рисунков. Список использованных источников содержит ИЗ наименований.
Экспериментальные исследования выхода ПД
В последние годы было проведено несколько внутриреакторных экспериментов с расплавом кориума. Для рассмотрения выбраны несколько (в алфавитном порядке): ACRR-ST, AECL-BTF, LOFT-FP, ORNL In-Pile, PBF/SFD, Phebus-FP, TREAT Transient Heating Tests.
Особое внимание было уделено экспериментам LOFT-FP, PBF-SFD, Phebus-FP как наиболее близким к условиям тяжелой аварии.
Эксперименты ACRR ST-1 и ST-2
В исследовательском реакторе с цилиндрической A3 (Annular Core Research Reactor- ACCR) Лаборатории Сандия была разработана экспериментальная программа для получения данных по выходу ПД в режиме реального времени из облученного топлива в условиях управляемой тяжелой аварии на водяном реакторе /11,12/. На Рис. 1-3 приведена схема экспериментальной установки ACRR ST. Экспериментальная ячейка включала небольшую топливную сборку, состоящую из 4-х элементов с облученным топливом с высокой степенью выгорания - 47000 (МВт сут)/т /10/.
Эксперимент ST-1 был первым из предназначенных для изучения выхода ПД. Он проводился при давлении в системе около 0.19 МПа и максимальной температуре топлива около 2490 К (на период 16.3 мин.). Во втором эксперименте (ST-2) был достигнут температурный уровень 2450 К на период мин. при давлении 1.9 МПа. Оба эксперимента проводились в восстановительной среде (аргон с некоторым содержанием водорода) /10/.
В верхней части облученной сборки (Рис. 1-3) топливо и оболочка в целом сохранили своё первоначальное состояние, тогда как в нижней топливо частично перешло в жидкое состояние и разбухло из-за пузырьков газа /13/. Радиографический пост тест анализ ячейки ST-1 показал, что циркалоевая оболочка расплавилась и переместилась на дно необлученной сборки /14/. Необлученное топливо, напротив, почти не претерпело изменений, за исключением разрушения оболочки в более горячей области. Металлографический и электронный микропробный анализ этих образцов показал, что расплавленная часть облученного топлива состоит из расплава Zr-U-0, смешанного с твердым раствором (U,Zr)02-x, и фрагментов эродировавшего топлива U02.x. Таким образом, в /15/ было зарегистрировано образование оксидной ванны расплава (U,Zr)02. Были измерены коэффициенты выхода Ва, Cs, Eu, I, Sr, Те, U. Пост тест анализы образцов топлива показывают разбухание ТВЭл (свилинг), которое, возможно, способствовало выходу ПД, в особенности в эксперименте с повышенным давлением ST-2. AECL-BTF На внутриреакторной установке BTF компании Atomic Energy Canada
Limited (AECL) проводились эксперименты с сильным повреждением топлива для получения данных по тепловому и механическому поведению ТВЭл, выходу и транспорту ПД в условиях потери охлаждения, характерных для сценариев с потерей теплоносителя и отсутствием аварийного охлаждения A3 /17/.
Из запланированных 4-х экспериментов пока было проведено 2: BTF-107 и BTF-104. Запланированы были измерения выхода ПД для Ва, Се, Cs, I, La, Mo, ND,Ru,Sb,Te,Zr/17/.
В первом эксперименте, BTF-107, на поверхности топлива была зарегистрирована температура около 2573 К, она была вызвана отсутствием охлаждения ввиду блокировки потока. Пост-тест анализ топливной сборки показал, что эта блокировка произошла из-за значительного перемещения материалов топливных элементов. Микроструктуры проб из донной части сборки подтвердили образование сплава уран-цирконий в значительном количестве, плавление и перемещение топлива. Было подтверждено достижение температуры 2570 К /8/.
Задачей BTF-4 было получение данных по выделению ПД внутри реактора (т.е. их количеству, времени выхода и распределению) для топлива U02 в окислительной паровой атмосфере при температурах 2073 - 2373 К /17/. Однако, предварительная оценка результатов BTF-104 показала, что температура топлива была около 1823 К/16/.
Установка LOFT находится в Национальной лаборатории Айдахо (INEL) /10/. Экспериментальный реактор LOFT мощностью 50 MW был сконструирован для изучения явлений, происходящих в реакторе PWR при аварии с потерей теплоносителя. Было проведено 8 экспериментов, из которых последние два, LOFT-FP-1 и LOFT-FP-2 (1984 и 1985 гг.) были посвящены анализу выхода и транспорта ПД /18/. Оба проводились в паровой атмосфере при давлении 2.41 МПа /10/. В LOFT-FP-1 максимальная зарегистрированная температура топлива была около 1200 К, её было недостаточно для формирования расплава A3 в значительном объёме, в LOFT-FP-2 самые высокие температуры топливной сборки были выше 2100 К в течение 4.5 минут, при этом в некоторых местах они превышали температуру плавления топлива /18/.
Крупномасштабный интегральный тест LOFT-FP-2 проводился со сборкой квадратного сечения (11x11 стержней), состоящей из 100 твэл, 11-ти стержней СУЗ и 10-ти измерительных стержней, длина A3 составляла 1.68 м. Атмосфера -пар, расход которого составлял 13г/с. Общее выгорание центрального топливного модуля к началу теста было 430 (МВт сут)/т /18/. Рис. 1-5 показывает общий вид экспериментальной установки LOFT.
Исследования после эксперимента показали, что перемещение материала в топливном модуле привело к формированию определенных областей, очень похожих на образовавшиеся при аварии TMI-2 (см. раздел 1.2.3.). Разжижение топлива произошло в результате взаимодействия расплавленного циркалоя и топлива при температурах около 2200 К. Металлографические измерения поперечных сечений показали, что около 15% топлива и 63% циркалоевой оболочки и внутреннего покрытия расплавилось. Большая часть расплавленного циркалоя и топлива находилась в области высокотемпературного керамического расплава/18/.
Измерения выхода ПД были сделаны для Cs и I (высоколетучих), Eu, Sb, Sr, Ru (среднелетучих), Се, Рг - низколетучих. Во всех образцах керамического расплава наблюдалась значительная потеря йода и цезия, которая составляла от практически полного выхода до оставшегося количества менее 50% /18/. Практически все измеренное количество рутения и церия, вышедшее из топлива, было осаждено в верхней части объема /4/. Однако разница между образцами говорит о том, что расплав перемешался неравномерно и о том, что на выход ПД влияет несколько факторов (температура, временные параметры и окружающий материал, например, корки с более низкой температурой вокруг высокотемпературных жидких областей).
Схемы газоаэрозольных систем в серии экспериментов ПД-0 +ПД-4 по проекту FPRMP
Схемы подачи газа и сбора аэрозолей в экспериментах ПД-0 - ПД-4 представлены на Рис. 2-2 и 2-3.
Система подачи газа-носителя обеспечивала регулируемое поступление в обечайку воздуха через фильтр тонкой очистки и осушитель в опытах ПД-1, ПД-4 (22-Рис. 2-2, 24-Рис. 2-3) или азота высокой чистоты из баллонов в опытах ПД-0, ПД-1, ПД-2, ПД-3 (Рис. 2-2, 2-3). Регулировку расхода осуществляли вентилями. Основные размеры индукционной печи и схема движения газа в ее внутреннем объеме представлены на Рис 2-4.
Крышка печи имела проемы для пирометрии, визуального наблюдения за поверхностью расплава, отбора проб и введения в расплав различных добавок. Два штуцера (10), расположенных на крышке печи, обеспечивали сдувку аэрозольных частиц со смотровых стекол при подаче газа в печь. При пирометрии для устранения влияния аэрозольных частиц над расплавом на показания пирометров через проем в печь вводили шахту, продуваемую газом.
Пирометрические измерения осуществляли с помощью яркостного монохроматического пирометра «Проминь» (А= 0.65 мкм), фирмы «Львовприбор», Украина, цветового пирометра «Спектропир 11-005» ( 1=0.82 мкм, 2=1.5 мкм) в температурном диапазоне 2000-г2800С и «Спектропир 11 004» (А, 1=0.87 мкм, А,2=1.55 мкм) в температурном диапазоне 1400- 2200С, фирмы «Теплоприбор», Россия. Совместно с пирометрией периодически производили видеозапись поверхности расплава с помощью видеокамеры OS-45D фирмы Mintron с захватом изображения на РС-Р2 для обработки и анализа
В эксперименте ПД-0 (постановочном) была опробована система отбора газоаэрозольных проб с изокинетическим разделением потока в главную и аналитическую линии, которая после модернизации была использована в экспериментах ПД-2, ПД-3, ПД-4. В главной линии для сбора аэрозолей использовали фильтры большой площади, изготовленные из ткани Петрянова ФПП 15-3. Технические характеристики фильтров представлены в Табл. 2-1.
В эксперименте ПД-1 весь газоаэрозольный поток был направлен в аналитическую линию, поскольку планировалось достижение очень высокой температуры расплава и газа на выходе из печи, а используемые фильтры имели ограничения по температуре газа. Поэтому были рассчитаны и установлены на выходе из печи охладители - стеклянные теплообменники с водяным охлаждением. С целью уменьшения осаждения аэрозолей на стенки охлаждаемых трубок диаметр последних был уменьшен для увеличения скорости газоаэрозольного потока.
Для снижения тепловых и аэрозольных нагрузок на фильтры большой площади в опытах ПД-2, ПД-3, ПД-4 перед фильтрами установили циклоны (Рис. 2-3). Для оценки динамики процесса в аналитической линии использовали последовательно несколько десятков аналитических аэрозольных фильтров АФА F2, F3 типа АФА-ВП и АФА-РМА (технические характеристики см. в Табл. 2-1). В перерывах между отбором проб на фильтры АФА использовали фильтры F1 в опыте ПД-1. В опытах ПД-2, ПД-3, ПД-4 аналитические фильтры средней площади подключались вместо фильтра F3 (Рис. 2-3). Для определения размерного распределения частиц в аналитическую линию подключали 6-каскадные инерционные импакторы (20, Рис. 2-2, 2-3) конструкции НИФХИ им. Карпова /80/. Контроль проскока частиц через фильтры F1+F3 осуществляли с помощью резервных фильтров F4.
Для каждого фиксированного состояния расплава в опыте (температура расплава, состав газа над расплавом, расход газа через печь) аэрозоли улавливали на отдельные фильтры большой площади при длительности пробоотбора от 30 до 90 мин, отдельный фильтр использовали при переходных режимах работы системы. В главной линии также было установлено устройство (17, Рис. 2-2, 2-3) для осаждения аэрозольных частиц на купоны с целью последующей электронной микроскопии отложений. Для снижения температуры газа перед фильтрами и осаждения частиц на стенки в экспериментах ПД-0, ПД-2, ПД-3, ПД-4 применили схему с разбавлением потока на выходе из печи соответствующим холодным газом-носителем.
Спецификация материалов, из которых были изготовлены основные элементы газоаэрозольной системы, представлена в Табл. 2-2.
В качестве побудителей расхода в системе использовали поочередно включаемые форвакуумные насосы (15, Рис. 2-2 - 2-4). Для измерения расхода, температуры и давления газа использовали стеклянные ротаметры, ХА-термопары ТС1+ТС14 с открытым спаем и стрелочные манометры (дифманометры). Регулирование расходов газа в основной и аналитической линии осуществляли с помощью вентилей (23-Рис. 2-2,2-3).
При проведении опытов производили измерения тепловых и электромагнитных потерь в холодный тигель и крышку печи, регистрировали электрические характеристики высокочастотного генератора.
Все измерительные датчики, кроме ротаметров, манометров и пирометра «Проминь» имели выходной аналоговый электрический сигнал. Для сбора, первичной обработки и хранения измеряемых данных в экспериментах использовали информационно-измерительный комплекс на базе PC и 84-канальной модульной системы опроса данных, обеспечивающей поканальный опрос датчиков с частотой до 20 Гц.
При проведении экспериментов по выходу продуктов деления из оксидных расплавов в рамках проекта FPRMP /92/ был отмечен эффект влияния «холодного тигля» - конденсация паров расплава на охлаждаемых секциях тигля выше уровня расплава и срыв образующихся корочек обратно в расплав. Этот эффект, видимо, занижал количественные характеристики выхода продуктов деления. Поэтому были внесены следующие изменения в конструкцию установки и процедуру опытов по проекту LPP: - Для уменьшения осаждения аэрозолей на стенки холодного тигля выше уровня расплава ванна расплава была поднята в вершину тигля (зеркало расплава находилось на расстоянии 25 -35 мм от верха тигля). - Для оптимизации газового тракта печи была изменена конструкция и форма водоохлаждаемой крышки печи.
Выводы по экспериментам ПД-0 -*- ПД-4 проекта FPRMP
Определено, что замена среды с нейтральной (азот) на воздушную увеличивает скорость испарения оксидов урана в 3 6 раз (эксперименты ПД-1 и ПД-2) вследствие интенсификации доокисления оксидов урана кислородом воздуха. Результаты показывают, что эффект замены среды над расплавом с нейтральной на воздух в проведенных опытах с расплавами проявляется сильнее, чем в опытах по испарению из твердой фазы /77/. По-видимому, в последнем случае кинетика окисления ограничена скоростью диффузии в материале и проникновения кислорода в твердую фазу оксида через открытую пористость. При испарении расплава транспорту кислорода может способствовать растворение кислорода в расплаве и конвективное перемешивание. Кроме того, при более высоких температурах скорость реакции окисления U02 растет.
На величину потенциала кислорода в расплаве оказывали влияние также скорость газа носителя, температура и состав расплава. В частности, в опытах ПД-3 и ПД-4 в шихте был Fe2C 3 в количестве до 25 мае. %, который повлиял на кислородный потенциал расплава. Литературные данные /77/ и результаты проведенных экспериментов показывают, что при температурах, достигнутых в опытах, Fe203 диссоциирует в расплаве по реакции 6 Fe2C 3- 4 Fe304+02 в воздушной среде и далее по реакции
2Fe3C 4-» FeO+02 в инертной среде, причем последняя реакция происходит медленно. Поэтому в опыте ПД-3 при продувке печи азотом в течение 160 мин в аэрозольных продуктах все еще содержалось до 13% из08 (см. раздел РСА). То есть равновесная концентрация кислорода в системе расплав -инертная среда не была достигнута. Поэтому скорости испарения в опытах ПД-3 и ПД-4, несмотря на изменение среды, различаются мало.
В этом контексте следует отметить, что важным обстоятельством является необходимость измерения парциального давления кислорода над расплавом кориума для определения соответствующего ему (с учетом возможной инерционности установки) кислородного потенциала расплава.
Распределение аэрозольных частиц по размерам и их морфология
В технике аэрозолеулавливания различают размеры аэрозолей после их выделения из газовой фазы: - первичных аэрозольных частиц, которые они имели при конденсации из пара над расплавом; - частиц, образующихся в процессе объемной коагуляции при движении аэрозольных потоков по газоходам; - частиц- агломератов в виде комочков и хлопьев.
Изучение распределения аэрозольных частиц по размерам, не нарушая их исходной степени агрегации, было произведено в экспериментах ПД-І-г-ПД-4 с применением импакторов. В результате исследований установлено, что аэрозольные частицы, образовавшиеся при пропускании газа-носителя над расплавом кориума, распределены по логарифмически нормальному закону и большая часть аэрозольных частиц имеет размеры (dg «0.3 0.7 мкм; ag«2.R2.8) менее 1 мкм, за исключением опыта ПД-1 на воздухе, где наблюдается смещение распределения в область более крупных размеров частиц (d « 3.5-И.О мкм) и степень полидисперсности выше (ag 4.4-7-6.5).
Рентгеноструктурный анализ показал, что на воздухе в эксперименте ПД-1 образовались частицы состоящие из U3Og. Высокая температура и большая скорость испарения способствовали коагуляции первичных аэрозольных частиц в крупные агломераты.
Сопоставление данных табл. 3.12-3.13 и соответствующих значений отношений суммарной активности по каскадам к массе в таблицах 5 - - 6 Приложения 1 показывает их практическое совпадение, что указывает на корректность методики отбора и измерений проб аэрозолей.
По результатам весовых анализов и гамма-спектрометрии подложек импакторов установлено, что параметры ЛНР массы дисперсной фазы аэрозоля и активности U практически совпадают. Этот факт указывает на отсутствие в дисперсной фазе других носителей, кроме оксидов урана, что подтверждается данными РСФА и электронно-микроскопического анализа.
Результаты экспериментов с вводом в расплав радионуклидов 133Ва n85Sr позволяют сделать предварительный вывод о том, что (при указанных условиях экспериментов и с учетом погрешности измерений) носителями 133Ва и 85Sr в аэрозолях являются также частицы оксидов урана и не наблюдается существенного избирательного перераспределения активности указанных радионуклидов в пользу какой-либо из дисперсных фракций частиц-носителей. По-видимому, в процессе конденсации из газовой фазы над поверхностью расплава степень пересыщения пара оксидов урана выше, чем оксидов стронция и бария. Поэтому вначале происходит конденсация оксидов урана, которые являются центрами конденсации для оксидов стронция и бария.
Результаты электронномикроскопического и качественного поэлементного анализа частиц наглядно иллюстрируют размеры, форму и химический состав частиц в аэрозолях кориума (Рис. 3-19 -s- 3-23). Размер частиц в основном составляет от 0.2 до 2.5 мкм, форма шарообразная, иногда вытянутая. Частицы непрозрачны, цвет частиц черный (серый) с металлическим блеском. Тонкодисперсные частицы образуют агломераты комкообразной формы. Электронно-микроскопический анализ подтвердил результаты РСФА по содержанию урана в аэрозолях. Содержание оксидов стронция, бария и церия ниже предела обнаружения этим методом.
КодЕЬБА
Микрофотографии темплета 6 приведены на Рис. 3-57. В микроструктуре фрагмента выделяются две фазы. Фаза I - твердый раствор на основе U02-Zr02, обогащенный ZrCb. По мере продвижения фронта кристаллизации от точки Р1 к точке Р2 количество оксида циркония в твердом растворе уменьшается до начала кристаллизации фазы, приблизительно отвечающей точке минимума на кривой ликвидуса (солидуса), которая, в свою очередь, претерпевает распад по механизму, по-видимому, отвечающему механизму эвтектоидного разложения фаз (двухфазная область в правой нижней части темплета 6). Фаза II (точка Р4) обогащена Ш2 и образовалась, по-видимому, в результате распада первоначально жидкой капли, по составу близкой к составу исходного расплава. Точка РЗ взята в области распада двух рассмотренных фаз (Рис. 3-57), и данные микроанализа представляют собой среднее содержание оксидов урана и циркония. Полученные результаты по характеру химического состава и микроструктуре позволяют предположить следующий механизм их осаждения на секциях тигля и конусном своде. В связи с тем, что средний химический состав осадков близок к составу исходного расплава, в то время как парциальные давления паров индивидуальных оксидов резко отличаются друг от друга, можно предположить, что либо испарение оксидов носило азеотропный характер, либо осадки образовались не столько за счет конденсации пара, сколько за счет уноса капель жидкости. За последнюю гипотезу говорит и характер микроструктуры осадков, подобный появляющейся при быстрой кристаллизации расплава, - в первую очередь происходит кристаллизация на относительно холодной поверхности наиболее тугоплавкой фазы (в данном случае - это диоксид циркония, так как на воздухе температура кристаллизации сверхстехиометрического диоксида урана понижается), затем совместно кристаллизуются обе фазы - на основе оксидов циркония и урана (такая кристаллизация в условиях высокоскоростной закалки может носить характер быстрого твердения расплава с одновременным его спинодальным разложением), в последнюю очередь кристаллизуется наиболее легкоплавкая часть капли. При осаждении на поверхности следующей капли процесс повторяется. Подобная картина и зафиксирована на Рис. 3-55.
По результатам исследований корок эксперимента WP2-1 можно отметить: - На крышке печи присутствуют капли расплава. - Корка образована прилипшими аэрозолями и частично плавленой фазой (капли расплава).
Анализ приведенных данных свидетельствует о трех возможных механизмах образования осадка аэрозолей: 1) капельный унос расплава с размерами капель около 40 мкм; 2) испарение - конденсация в паре и затем осаждение в виде аэрозолей размером около 2-3 мкм относительно тугоплавких компонентов расплава; 3) испарение и конденсация на поверхности парообразных составляющих, главным образом, относительно легкоплавких и наиболее летучих компонентов расплава.
Волнообразный характер химического состава осажденного пара (чередование относительно тугоплавких и легкоплавких компонентов) свидетельствует о возможности колебаний химического состава поверхности или перераспределении газодинамических вихрей - потоков в системе.
Отметим, что осадки аэрозолей обогащены такими компонентами, как оксиды бора, молибдена, бария и стронция.
Эксперименты WP2-3/L2
Для подтверждения визуально наблюдаемого на поверхности расплава в процессе проведения эксперимента расслоения были подготовлены темплеты, которые представляли собой куски, вырезанные (выколотые) из верхней приповерхностной части закристаллизованных слитков кориума экспериментов WP2-3/1 и WP2-3/2. Темплет WP2-3/1 m был выколот из средней (центральной) части, а темплет WP2-3/1 р - из верхнего края слитка, полученного в результате соответствующего эксперимента. Темплет WP2-3/2 m захватывает центральную верхнюю часть слитка и его верхний край (более половины диаметра слитка по ширине).
Полученные в результате микроанализа данные свидетельствуют о том, что в закристаллизованных после проведения экспериментов расплавах в целом и в отдельных фазах практически не наблюдаются оксиды молибдена, стронция и иттрия (исключение составляет фаза на основе оксида урана в темплете WP3/2 m - точка Р16 на Рис. 3-61, содержащая небольшое количество оксида иттрия).
Характер кристаллизации фаз в образцах позволяет предположить возможность расслоения жидкой фазы на две - обогащенную оксидом кремния (например, точки Р1 на Рис. 3-61 и 3-62) и обогащенную оксидом железа и другими оксидами. Однако по характеру микроструктуры закристаллизованного слитка невозможно точно определить, при каких условиях произошло расслоение расплава - при температуре эксперимента, когда вся система находилась в жидком состоянии, или после кристаллизации наиболее тугоплавких фаз на основе оксидов циркония и урана, после чего расплав обогатился легкоплавкими компонентами (оксидами кремния и железа). С учетом того, что часть оксида железа кристаллизуется в виде твердого раствора с оксидами циркония и урана, и зная общее соотношение указанных оксидов в системе, можно предположить, что образовавшийся после кристаллизации тугоплавких фаз расплав попадает в область расслаивания системы FeO-Si02-U02-Zr02 /109/. Отметим, что за гипотезу расслоения расплава после кристаллизации тугоплавких фаз свидетельствует и характер макро- и микроструктуры слитка. В системе не обнаружено какой-либо макронеоднородности, которая могла проявиться как следствие расслаивания жидкой фазы на легкую - обогащенную оксидом кремния, и тяжелую -обогащенную оксидом урана. После кристаллизации части компонентов система приходит в достаточно вязкое - твердо-жидкое - состояние. В этом состоянии при расслаивании оставшейся части расплава трудно ожидать формирования макронеоднородной структуры, особенно в условиях быстрого охлаждения. Указанное макроразделение жидкостей при расслаивании особенно мало вероятно из-за небольших различий в значениях их плотностей (основная часть наиболее тяжелого компонента - оксида урана - уже закристаллизовалась). Все перечисленные причины свидетельствуют о наиболее вероятном расслаивании расплава только после перехода при его охлаждении части компонентов в твердую фазу и обогащении оставшейся части жидкости оксидом кремния
