Избыточной реактивности

жидкого металла в твердый, а с другой стороны, возрастает в результате образования поверхности раздела с избыточной поверхностной энергией, равной AF,Mm So. Общее изменение свободной энергии можно определить из следующего выражения: AF -----.: —AFon -j- AF1I01)) или AF - —I/A/ ! Scr, где А/ — разность объемных свободных энергий жидкого и твердого металлов (F)K — — FT); V — объем зародыша; S — суммарная величина поверхности кристаллов; а — поверхностное натяжение.

В результате избыточной поверхностной энергии поверхностный слой металла обладает большой активностью. Это проявляется в том, что при взаимодействии ненасыщенных силовых полей твердого тела с силовыми полями молекул газа, движущихся к твердой поверхности, или жидкости, соприкасающейся с твердым телом, поверхность последнего покрывается пленкой веществ, содержащихся в окружающей среде. Явление образования на поверхности твердого тела тончайших пленок газов, паров или растворенных веществ либо поглощения этих веществ поверхностью тела называют адсорбцией.

Новые зерна, образовавшиеся при первичной рекристаллизации, неустойчивы. Поверхность зерна металла, так же как поверхность жидкости, обладает избыточной поверхностной энергией. При уменьшении площади раздела зерен уменьшается их свободная поверхностная энергия. Чем крупнее зерна, тем меньше общая поверхность их раздела. Поэтому зерна рекристаллизованного металла начинают расти одни за счет других. Средний размер зерен увеличивается. Этот процесс называется собирательной рекристаллизацией.

Рост зародышей возможен только при условии, если они достигли определенной величины, начиная с которой их рост ведет к уменьшению энергии Гиббса. В процессе кристаллизации энергия Гиббса системы (рис. 22, а), с одной стороны, уменьшается на VkGv вследствие перехода некоторого объема жидкого металла в твердый, а с другой стороны, возрастает в результате образования поверхности раздела с избыточной поверхностной энергией, равной 5а. Общее изменение энергии Гиббса можно определить из следующего выражения:

Видно, что существенное снижение ТЕможет наблюдаться при размере зерен дисперсного компонента несколько десятков нанометров и менее, хотя, конечно, следует помнить об оценочном характере расчетов. Расчеты проведены с использованием простейшего приближения регулярных растворов, когда на основе выражений для свободных парциальных энергий системы в твердом и жидком состояниях записывается условие равновесия при эвтектической температуре, а вклад избыточной поверхностной энергии оценивается по выражению AG= 6Vas/L, где V— молярный объем. Более сложные приближения теории растворов не позволяют получить численные оценки; ограниченность информации о значениях as также вносит неопределенность в достоверность оценок. Более того, как отмечалось ранее, неясно также, до каких размеров зерен работают представления о поверхностной (граничной) энергии, включая и общие закономерности классической термодинамики.

Новые зерна, образовавшиеся при первичной рекристаллизации, неустойчивы. Поверхность зерна металла, так же как поверхность жидкости, обладает избыточной поверхностной энергией. При уменьшении площади раздела зерен уменьшается их свободная поверхностная энергия. Чем крупнее зерна, тем меньше общая поверхность раздела между ними. Поэтому зерна деформированного и рекристаллизованного металла начинают поглощать друг друга. Средний размер зерна увеличивается. Этот процесс называется вторичной или собирательной рекристаллизацией.

Поверхностная энергия на границе раздела двух соприкасающихся кристаллов зависит от ориентировки этих кристаллов. С увеличением угла разориентировки возрастает величина избыточной поверхностной энергии. Поверхность раздела двойников имеет малую а. Этим объясняется, что двойниковые кристаллы плохо растут. Аналогично ведет себя видманштеттова структура. Однако если с помощью холодной деформации несколько изменить взаимную ориентировку кристаллов, то их рост идет быстрее. При наличии когерентной связи имеет значение еще и величина упругой энергии на границе фаз. Чем она меньше, тем стабильнее структура, по этой причине когерентная фаза выделения у' в жаропрочных-никелевых сплавах слабо коагулирует. При введении в сплав определенных легирующих элементов можно уменьшить разницу в параметрах решеток обеих фаз. Это уменьшает упругую деформацию и приводит к дополнительному замедлению скорости коагуляции.

л Атомы, находящиеся на поверхности кристалла, остаются неуравновешенными со стороны внутренних атомов его кристаллической решетки. Силы атомной связи стремятся втянуть атомы, находящиеся на поверхности, внутрь, это и проявляется в поверхностном натяжении, величина которого определяется коэффициентом, равным избыточной поверхностной энергии, отнесенной к единице'поверхности центра кристаллизации. О величине коэффициента поверхностного натяжения металлов с газом судят по теплоте испарения, или плавления, или аллотропического превращения, которые тем выше, чем выше силы атомной связи. Например, для железа этот коэффициент 1200, для цинка — 650. а/сл<2, коэффициент поверхностного натяжения кристаллов с расплавом в несколько раз ниже, чем с газовой средой, и тем ниже, -чем плотнее укладка атомов на их поверхности.

Однако недостаточная эксплуатационная надежность керамики, обусловленная хрупкостью и сложностью формирования однородной бездефектной структуры материала, зачастую препятствует ее применению. Один из путей решения проблемы — получение керамических материалов с нанокристаллической структурой, поиск новых технологических решений и подходов к выбору исходных порошков. Перспективным в этом плане является применение нанопорошков, необычные свойства которых, связанные с наличием избыточной поверхностной энергии, могут быть эффективно использованы в технологических процессах. Применение таких порошков, благодаря возможности формирования мелкозернистой высокопрочной структуры, может обеспечить значительное повышение качества керамики.

жидкого металла в твердый, а с другой стороны, возрастает в результате образования поверхности раздела с избыточной поверхностной энергией, равной &FiiOB = So. Общее изменение свободной энергии можно определить из следующего выражения: Д/7 = = —Д/^об + Д^пов, или Д/7 = —1/Д/ + За, где Д/— разность объемных свободных энергий жидкого и твердого металлов (Fx •— — FT); V — объем зародыша; S — суммарная величина поверхности кристаллов; о — поверхностное натяжение.

В результате избыточной поверхностной энергии поверхностный слой металла обладает большой активностью. Это проявляется в том, что при взаимодействии ненасыщенных силовых полей твердого тела с силовыми полями молекул газа, движущихся к твердой поверхности, или жидкости, соприкасающейся с твердым телом, поверхность последнего покрывается пленкой веществ, содержащихся в окружающей среде. Явление образования на поверхности твердого тела тончайших пленок газов, паров или растворенных веществ либо поглощения этих веществ поверхностью тела называют адсорбцией.

Собирательная рекристаллизация представляет самопроизвольный процесс укрупнения зерен, образовавшихся на стадии первичной рекристаллизации. Чем крупнее зерна, тем меньше суммарная поверхность границ зерен и тем меньше запас избыточной поверхностной энергии (по сравнению с объемом зерен).

Процесс непрерывной замены отработавшего топлива свежим увеличивает глубину выгорания примерно в 1,5 раза по сравнению с глубиной выгорания топлива в неподвижной зоне. Повышается при этом и радиационная безопасность ядерного реактора, поскольку отпадает необходимость в компенсации начальной избыточной реактивности стержнями СУЗ. Реализация принципа одноразового прохождения активной зоны значительно уменьшает удельный расход урана, а также удельную загрузку ядерного горючего.

Критерии проектирования, выработанные для достижения наивысшей безопасности работы АЭС, охватывают широкий диапазон эксплуатационных параметров: максимальные температуру воды и давление, максимальную температуру защитной оболочки топлива, максимальное обогащение топлива, а также максимальную выработку теплоты. Соблюдение этих параметров в допустимых пределах гарантирует, что реактору будет присуще саморегулирование на всех этапах эксплуатации, т. е. при пуске, когда образуется достаточно большое количеств^ избыточной реактивности, при работе на полной мощности.

В каждой кассете имеется 4 элемента с выгорающим поглотителем нейтронов. Назначение этих компенсирующих стержней состоит в подавлении начальной избыточной реактивности и компенсации температурного эффекта. Благодаря этому поглощению возможно поддержание постоянной небольшой концентрации борной кислоты в первом контуре при полной нагрузке реактора во время всего цикла. Реактор характеризуется высоким отрицательным температурным коэффициентом реактивности, что позволяет провести его пуск из холодного состояния. Во время пуска первого контура циркуляционный насос работает с минимальным расходом, необходимым для надежной работы гидродинамических подшипников. После прекращения циркуляции через нижний гидравлический затвор с помощью подачи азота под колпак можно начинать снижение концентрации борной кислоты в первом контуре подводом в него чистой воды. После достижения критического состояния и нагрева воды до температуры 80—100°С расход воды на выходе из активной зоны будет равен расходу воды через циркуляционный насос; азот из-под колпака нижнего гидравлического затвора удаляется, и первый контур постепенно переводится на номинальные параметры.

тать и регулироваться и при начальном, и при конечном состоянии активной зоны. Изменения концентраций топлива и продуктов деления при выгорании в этом случае максимальны, и необходимый запас реактивности на выгорание велик. Поэтому требуется мощная система органов компенсации избыточной реактивности (рис. 4.4), которую по конструкционным соображениям трудно размещать в объеме активной зоны. При одноразовой перегрузке нет необходимости проводить ее при работе реактора на мощности.

тать и регулироваться и при начальном, и при конечном состоянии активной зоны. Изменения концентраций топлива и продуктов деления при выгорании в этом случае максимальны, и необходимый запас реактивности на выгорание велик. Поэтому требуется мощная система органов компенсации избыточной реактивности (рис. 4.4), которую по конструкционным соображениям трудно размещать в объеме активной зоны. При одноразовой перегрузке нет необходимости проводить ее при работе реактора на мощности.

Выгорание топлива и накопление шлаков обусловливают уменьшение первоначальной избыточной реактивности. Когда pt достигнет нуля, реактор останавливают и топливо перегружают. Период от пуска реактора до момента, когда, р = 0 называется кампанией реактора Т„.

Допустимое среднее истинное объемное паро-содержание ф в активной зоне корпусного кипящего реактора для сохранения устойчивости его работы, должно быть не выше 40 %. Кипящий корпусной реактор обладает некоторым избытком (по сравнению с ВВЭР) органов компенсации избыточной реактивности (доля объема активной зоны, занимаемого компенсирующими и регулирующими стержнями, в кипящем реакторе составляет примерно 15 %, а в реакторе ВВЭР — около 7 %). Этот избыток объясняется тем, что компенсация избыточной реактивности в кипящих реакторах выполняется исключительно с помощью стержневых поглотителей в отличие от ВВЭР, где применяется борное регулирование. Бор достаточно хорошо растворятся в паре, поэтому борное регулирование при работе кипящего реактора использоваться не может. Спектр нейтронов в активной зоне корпусного кипящего реактора из-за наличия в ней пара несколько более жесткий, чем у ВВЭР. Это обусловливает некоторое увеличение наработки плутония в тепловыделяющих сборках кипящих растворов по сравнению с ВВЭР. Обогащение топлива, загружаемого в активную зону кипящих реакторов, равно 2,5—3,0 %, тогда как для ВВЭР (PWR) оно составляет от 3 до 4,9 %.

Компенсация избыточной реактивности в общем случае осуществляется подачей борной кислоты в теплоноситель (борное регулирование), механическими органами СУЗ и выгорающим поглотителем. Основное преимущество борного регулирования — существенное уменьшение неравномерности энерговыделения по объему активной зоны. С помощью этого способа производится компенсация медленных эффектов реактивности: выгорание топлива, стационарное отравление ксеноном и самарием, расхолаживание активной зоны. Для компенсации быстрых изменений реактивности используются механические органы СУЗ.

Режим работы реактора с перегрузкой на ходу позволяет иметь минимальную топливную загрузку активной зоны, а следовательно, и свести к минимуму устройства компенсации избыточной реактивности. Система компенсации состоит из герметичных камер, заполненных легкой водой, выполняющей роль поглотителя тепловых нейтронов. Уровень воды в камерах может изменяться от максимума до нуля. Компенсация избыточной реактивности осуществляется также подачей в замедлитель раствора сильных поглотителей тепловых нейтронов (бора или гадолиния). Кроме того, для выравнивания эпюры энерговыделения в бак-каландр вводятся регулирующие стержни из нержавеющей стали. Оперативное снижение мощности выполняется стержнями, содержащими кадмий.

Система компенсации избыточной реактивности и органов регулирования в кипящих тяжеловодных реакторах с легководным теплоносителем в принципе те же, что и в реакторах с тяжеловодным теплоносителем.

— избыточной реактивности 151