Температура плавления металлической фазы в модельном

УДК 621.7/.9(06) Физика, химия и компьютерная разработка материалов
А.Н. АНДРИАНОВ1 , В.Г. БАРАНОВ, Ю.Г. ГОДИН,
Е.Г. ВАКОЛЮК, С.А. ЛОГИНОВ, Б.В. ПРОДУВАЛОВ,
А.В. СВЕТЛОВ, А.В. ТЕНИШЕВ
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
1Минпромэнерго России
ТЕМПЕРАТУРА ПЛАВЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ФАЗЫ
В МОДЕЛЬНОМ ЯДЕРНОМ ТОПЛИВЕ,
ИМИТИРУЮЩЕМ СВЕРХГЛУБОКОЕ ВЫГОРАНИЕ
Металлическую фазу из образца модельного ядерного топлива с эквивалентной глубиной выгорания 120ГВт·сут/тU выделяли путем его растворения в
трехмолярной азотной кислоте при 1000С в течение 4-х часов. Состав фазы соответствовал формуле Ru0.73Mo0.19Pd0.08; она имела ГПУ-решетку и представляла
собой однородный твердый раствор замещения Pd и Mo в решетке Ru.
Бесконтактный дифференциальный термический анализ металлической
фазы проводили в высокотемпературной установке в аргоно-водородной атмосфере с помощью двух высокотемпературных логометрических пирометров; в качестве эталона использовали молибденовый диск. Было установлено, что металлическая фаза начинает плавиться при температуре 1800 + 40С.
При глубоких выгораниях ядерного топлива в нем накапливается
значительное количество продуктов деления (ПД), которые при высоких
температурах, характерных для теплового режима ВВЭР, вступают в физико-химическое взаимодействие как друг с другом, так и с матрицей топлива, растворяясь в ней или образуя самостоятельные оксидные или металлические фазы.
Наряду с матрицей топлива, содержащей растворимые ПД, основными фазами в облученном топливе являются перовскитная фаза
АВО3 и металлическая фаза, представляющая сплав Мо, Ru, Rh, Pd и Тс.
Последние имеют более низкие температуры плавления, чем матрица
топлива, вследствие чего образующиеся при аварийном подъеме температуры активной зоны реактора жидкие фазы будут вступать в физикохимическое взаимодействие с оболочкой твэла и вызывать его разрушение при температурах, существенно ниже температуры плавления матрицы топлива. В этой связи определение температур плавления твердых фаз
представляет безусловный научный и практический интерес. В настоящей
работе представлены результаты определения температуры плавления
металлической фазы.
96
ISBN 5-7262-0555-3. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2005. Том 9
УДК 621.7/.9(06) Физика, химия и компьютерная разработка материалов
Температура плавления металлической фазы должна находиться в
пределах от 2623(Mo) до 15520С (Pd) т.е. она существенно ниже температуры плавления UO2. Это следует из того, что металлическая фаза состоит
из Mo, Ru и Pd, которые образуют ограниченные твердые растворы при
концентрациях от 10-15ат.% для Pd-Ru и до 40-50ат.% для Mo-Ru, а при
концентрациях выше этих значений образуют эвтектики с температурой
плавления 15830С(Pd-Ru); 17550С (Mo-Pd) и 19200С (Mo-Ru); кроме того,
могут еще образовываться соединения Mo5Ru3(σ) и MoPd2.
Образцы модельного ядерного топлива в виде таблеток с эквивалентной глубиной выгорания 120ГВт·сут/тU приготовляли методом порошковой металлургии. Содержание в них имитаторов продуктов деления
находили расчетным путем с использованием соответствующих кодов.
Керамографический и рентгеноструктурный анализы образцов
показали присутствие в них матричной фазы на основе UO 2, перовскитной
фазы типа (Ba,Sr)(U,Gd,Zr)O3 и мелкодисперсных выделений металлической фазы на основе рутения. Для выявления химического состава и
структуры металлической фазы таблетки модельного топлива растворяли
в 3-х мольной азотной кислоте при 1000С в течение 4-х часов. Образовавшийся после растворения металлический порошок отфильтровывали, а
затем высушивали на фильтровальной бумаге.
Рентгенографическое исследование порошка показало, что металлическая фаза в модельном топливе представляет собой однофазный
твердый раствор Mo и Pd в рутении, имеющей ГПУ-решетку. Для определения ее температуры плавления был выбран метод дифференциального
термического анализа.
Дифференциальный термический анализ сплава проводили в высокотемпературной установке в аргонно-водородной атмосфере с применением радиационного нагрева; в качестве эталона использовали молибденовый диск. Кривые нагревания и охлаждения, а также дифференциальную кривую записывали бесконтактным методом с помощью двух
микропроцессорных логометрических пирометров.
На кривых нагревания и охлаждения имеются хорошо выраженные площадки, а дифференциальные кривые, соответствующие им, минимум и максимум, которые отвечают температурам плавления и кристаллизации модельного сплава. Определенная из этих данных температура
плавления металлической фазы модельного сплава отвечает температуре
1800+40С.
ISBN 5-7262-0555-3. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2005. Том 9
97