Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Москва, Россия:

С. Н. Никитин, инженер отраслевой научно-исследовательской лаборатории 709, эл. почта: mephi200809@yandex.ru
Б. А. Тарасов, инженер отраслевой научно-исследовательской лаборатории 709
Д. П. Шорников, ст. науч. сотр. отраслевой научно-исследовательской лаборатории 709
В. Г. Баранов, ст. преподаватель каф. «Физические проблемы материаловедения»

Исследовательские реакторы эксплуатируют при весьма больших удельных мощностях энерговыделения активной зоны и высоких выгораниях, что связано с необходимостью повышения плотности нейтронного потока и снижения эксплуатационных расходов. Для возможности перехода на низкообогащенное топливо в рамках существующих геометрий активных зон без существенного снижения плотности потока нейтронов целесообразней использовать в качестве твэлов высокоплотные дисперсные композиции из урановых сплавов в алюминиевой матрице. Основным фактором, сдерживающим использование указанной композиции, является взаимодействие между U – Mo-гранулами и алюминиевой матрицей при высоких уровнях выгорания. Взаимодействие приводит к дополнительному распуханию твэлов, снижению теплопроводности матрицы и повышению температуры в центре твэла, образованию интерметаллидных соединений, сквозной пористости и выходу твэла из строя. Из-за взаимодействия с алюминием U – Mo-топливо имеет ограничения по условиям эксплуатации в реакторе, что требует поиска новых альтернативных решений в этом направлении. В данной работе в качестве перспективных топливных композиций твэлов дисперсного типа рассмотрены композиции с металлическими частицами из уран-молибденовых сплавов в алюминиевой матрице, содержащей от 2 до 8 % (мас.) Be. Основной задачей работы является экспериментальное определение влияния легирования бериллием алюминиевой матрицы на кинетику диффузионного взаимодействия ее с уран-молибденовыми сплавами. Установлено линейное снижение скорости взаимодействия с увеличением содержания бериллия до 8 % (мас.) в алюминиевом сплаве. Сравнение с другими алюминиевыми матричными сплавами показало преимущество как по теплофизическим и механическим свойствам, так и по совместимости с уран-молибденовыми сплавами.

1. Von Hippel F. A comprehensive approach to elimination of highly-enriched uranium from all nuclear Reactor fuel cycles // Science and global Security. 2004. Vol. 12. P. 137–164.
2. Ватулин А. В., Морозов А. В., Супрун В. Б. Высокоплотное U – Mo топливо для исследовательских реакторов // Металловедение и термическая обработка металлов. 2004. № 11. С. 35–40.
3. Mazaudier F., Prayc C., Hoday H. Further insight into mechanisms of solid-state interactions in UMo/Al system // Journal of Nuclear Materials. 2008. Vol. 377. P. 476–785.
4. Lemoine P., Snelgrove J. L., Arhangelsky N., Alvarer L. U – Mo Dispersion fuel results and status of qualification and licensing programs // Transactions Eighth International Conference on Research Reactor Fuel Management, Munchen, Germany, 21–24 March, 2004. P. 31–41.
5. Ватулин А. В., Морозов А. В., Супрун В. Б. Радиационная стойкость высокоплотного дисперсионного топлива для исследовательских ядерных реакторов // Атомная энергия. 2006. Т. 100, вып. 1. С. 35–40.
6. Hofman G. L. Irradiation behavior of high uranium density-low enriched — UMo research reactor fuel // Proc. of the IAEA Consultancy on Development of High Density U – Mo Dispersion Fuels. — Vienna : IAEA, 2003. — 38 p.
7. Allenou J., Palancher H., Iltis X. U – Mo/Al – Si interaction: Influence of Si concentration // Journal of Nuclear Materials. 2010. Vol. 399, No. 2/3. P. 189–199.
8. Hofman G. L., Bozzolo G., Mosca H. O. Atomistic modeling and simulation of the role of Be and Bi in Al diffusion in U – Mo fuel // Journal of Nuclear Materials. 2011. Vol. 414, No. 2. P. 179–185.
9. Никитин С. Н., Тарасов Б. А., Шорников Д. П., Бурлакова М. А., Баранов В. Г. Влияние легирования бериллием на кинетику взаимодействия алюминия с уран-молибденовыми сплавами // Вектор науки ТГУ. 2013. № 3. С. 83–87.
10. Gusak A. Diffusion-controlled solid state reactions in alloys, thin-films, and nanosystems. — Berlin : Wiley-VCH, 2010.
11. Porter D. L., Ewh A., Iltis X., Allenou J., Palancher H., Charollais F. Interaction Layer Characteristics in U-xMo Dispersion/Monolithic Fuels // INL/EXT-10-17972 Revision 1. 2010. P. 12–17.
12. Загрязкин В. Н., Панов А. С. Расчет теплоты образования бериллидов переходных металлов // Журнал физической химии. 1974. Т. 48. С. 1519–1521.
13. Иванов М. И., Тумбаков В. А. Теплота образования UBe₁₃ // Атомная энергия. 1959. Т. 7. С. 33–36.