Расчет толщины внутренних покрытий оболочек ядерного топлива для аварийно-устойчивых ТВЭЛов

Abstract

Актуальность исследования заключается в необходимости создания аварийно-устойчивого топлива ядерных реакторов исходя из изучения причин и последствий аварий в Чернобыле и Фукусиме. Конкретная проблема, которой посвящена работа, - создание хромовых покрытий на внутренней стороне трубок тепловыделяющих элементов, что является одним из трендов в направлении создания аварийно-устойчивой активной зоны ядерного реактора. Основная цель исследования: определить минимальную толщину хромового покрытия, необходимую для надежной защиты внутренней стороны оболочек (трубок) тепловыделяющих элементов от осколков деления ядерного топлива. Методы: хорошо развитый (более 60-ти лет совершенствования), широко известный и признанный пакет компьютерных программ для моделирования физических процессов переноса излучений и ускоренных частиц в твердых телах c использованием статистики Монте-Карло. Определение минимальной толщины хромового покрытия для обеспечения защиты внутренней стороны оболочки тепловыделяющих элементов от основной группы высокоэнергичных осколков деления ядерного топлива проводилось на основе расчетов по программе TRIM (из пакета SRIM). В качестве б омбардирующих покрытие осколков деления из их широкого спектра выбраны 97Tc, 98Mo, 102Ru, 103Rh, 106Pd, 127I, 133Cs как наиболее высокоэнергетичные и в то же время обладающие разными химическими свойствами. Производились расчеты распределений глубин проникновения указанных осколков деления и повреждений (вакансий) в материале оболочки и в хромовых покрытиях. Результаты. Было обнаружено, что минимальная толщина хрома, требующаяся для обеспечения адекватной защиты внутренней поверхности трубки тепловыделяющих элементов от основных осколков деления топлива 235UO2 составляет 9 мкм. Приведены экспериментальные данные, подтверждающие этот результат.

The relevance of the study lies in the need to create an emergency resistant fuel for nuclear reactors, based on the study of the consequences of accidents in Chernobyl and Fukushima. The specific problem to which the work is devoted is the creation of thin-film chromium coatings on the inside of nuclear fuel element tubes, which is one of the directions for creating an emergency resistant core of a nuclear reactor. The main aim of the research is to determine the minimum thickness of the chromium coating necessary for adequate protection of the inner side of the fuel rod cladding from nuclear fuel fission fragments. Methods: a well-developed (more than 60 years of improvement) and widely known and recognized software package to simulate the physical processes of radiation and accelerated particle transport in solids using Monte Carlo statistics. The determination of the minimum thickness of the chromium coating to ensure protection of the inner side of the fuel element cladding from the main group of high-energy fission fragments of nuclear fuel was carried out on the basis of calculations using the TRIM program (from the SRIM package). 97Tc, 98Mo, 102Ru, 103Rh, 106Pd, 127I, 133Cs were selected as bombarding the coating from their wide range of nuclear fuel fission fragme nts, as the most high-energy and at the same time, having different chemical properties. Results. It was found that the minimum thickness of chromium required to provide adequate protection of the inner surface of the fuel tube from the main fission fragments of the U235O2 fuel is 9 µm. Experimental data confirming this result are presented.