Wydzielanie produktów rozszczepienia nagromadzonych w pęcherzykach na powierzchni ziaren, temperatury 1300 - 1700°C

Doświadczenia Peehsa [64] wykazujące, że po awarii wydzielają się najpierw gazowe produkty rozszczepienia zawarte w porach przylegających do powierzchni pastylki UO2, dotyczą nie tylko niskich temperatur (poniżej 1300°C), ale i temperatur wysokich (1300 - 1700°C), w których zachodzą zjawiska szybkiego rośnięcia kryształów UO². Na rys. 3.11 pokazano

0 47MWd/kflU o33MWd*gU

• 11 MWd/kg U

800 ' 1200 1600

Temperatura, "C

Rys.3.11. Szybkość wydzielania cezu dla różnych wypaleń i czasów grzania [64]

krzywe obrazujące szybkość wydzielania cezu dla dwóch okresów po awarii, od 0 do 60 s i od 60 do 300 s w dużym przedziale temperatur od 900°C do 1700°C i dla trzech różnych głębokości wypalenia.

W pierwszym okresie, od 0 do 60 s, można zaobserwować charakterystyczny wziost szybkości wydzielania cezu ze wzrostem wypalenia w całym obszarze temperatur, co świadczy o wzroście porowatości paliwa z wypaleniem. W drugim okresie (od 60 do 300 s) wydzielenia do 1300°C są jednakowe niezależnie od wypalenia, a zaczynają różnicować się w funkcji wypalenia dla temperatur powyżej 1300°C. Porównanie szybkości wydzielania cezu w dwóch wymienionych przedziałach czasu pokazał Peehs dla paliwa o wypaleniu 33 MWd/kg U na rys.

3.12, a dla paliwa o wypaleniu 47 MWd/kg U na rys. 3.13. Na obu rysunkach widać wyraźnie zmiany nachylenia krzywej w temperaturze 1300°C.

Temperatura,

i 900 1000 1200 1400 1800

.2 io-c ²

10-3

10"4

-f~«p(.Q/KT)

Q«195kJ,

Q-120

o o-eos a 60-600*

8 8

, K"¹

Temperatura,

*C—*-900 1000 1200 1400 1800

295kJAnol

0 0-606 -2 60-600*

7 6

ICH/T, K"1

Rys.3.12. Zależność szybkości wydzielania cezu z paliwa wypalonego (B = 33 MWd/kg U) od temperatury [64]

Rys.3.13. Zależność szybkości wydzielania cezu z paliwa wypalonego (B = 47 MWd/kg U) od

Doświadczenia wielu badaczy wskazują, że w temperaturze ok. 1300°C, przy czym jej dokładna wartość zależy od wypalenia paliwa, zaczynają wydzielać się, uprzednio nagromadzone na powierzchniach ziaren, gazowe produkty rozszczepienia, jod i cez. Dla paliwa o małym wypaleniu, w którym stężenie produktów rozszczepienia jest mniejsze, proces ten zaczyna, się prawdopodobnie w wyższych temperaturach, Mechanizmem napędowym jest powstawanie, puchnięcie i łączenie się pęcherzyków gazowych produktów rozszczepienia.

W temperaturach powyżej 1300°C pęcherzyki zawierają prawdopodobnie nie tylko atomy gazów szlachetnych, ale i odparowany jod i cez. Rozszerzające się pęcherzyki rozpychają i rozdzielają mechanicznie ziarna UO2 umożliwiając ucieczkę gazów i par, a także łączą się ze sobą tworząc tunele. Wiele z nich, sięgając do pęknięć w paliwie i do otworu centralnego, łączy się z przestrzenią kompensacyjną.

Dla wytworzenia stabilnej, wzajemnie powiązanej sieci tuneli potrzeba około 10¹⁵ atomów gazu na 1 cm² powierzchni ziaren [70], a dla uzyskania tak dużej liczby atomów potrzebne jest znaczne wypalenie paliwa. Na przykład, jak podają autorzy [70], przy wypaleniu 1 MWd/kg U potrzebne jest około 40% powstałych w paliwie gazowych produktów rozszczepienia, by nasycić powierzchnie graniczne ziaren. Frakcja ta spada do 4% przy wypaleniu 10 MWd/kg U i odpowiednio niżej przy wyższych wypaleniach. Badania Peehsa [71] wykazały, że w danej temperaturze szybkość wydzielania cezu i jodu w czasie krótkotrwałych (10 minut) pozareaktorowych doświadczeń z wyżarzaniem paliwa rośnie z wypaleniem.

Po wytworzeniu sieci tuneli z paliwa uwalniają się w przybliżeniu podobne frakcje gazowych produktów rozszczepienia, jodu i cezu zawartych na granicach ziaren. W przypadku paliwa 0 wysokim wypaleniu frakcja całkowitego zasobu tych pierwiastków zawartego w paliwie wydzielona przy wygrzewaniu w temperaturze 1600°C może dojść do 25%.

Wydzielanie cezu, jodu i kryptonu w temperaturach od 1300 do 1610°C mierzył Lorenz [2].

Wykonał on 15 badań z segmentami prętów paliwowych o wypaleniu do 30 MWd/kg U 1 długości 30,5 cm z EJ Robinson i EJ Peach Bottom, utrzymując je w atmosferze pary wodnej. W koszulkach ze stopu cyrkonu wiercono otwory, albo do przestrzeni kompensacyjnej wprowadzano nadciśnienie i powodowano rozerwanie koszulek w temperaturze od 850 do 950°C, by umożliwić ucieczkę produktów rozszczepienia ze szczeliny pod koszulką. Czasy wygrzewania wynosiły od 20 godzin w temperaturze 1300°C do 3 min w temperaturze 1610°C. Wyniki tych badań przedstawiono na rys. 3.14 i w tabeli

.3!

• Krypton

* C e z

• Jod

1M0°C 1700% M0°*C

U II M !1 U U U U U U U U U II It U U t !

Odwrotność temperatury paliwa 10^/T, K*^

Rys.3.14. Zmierzone uwolnienia produktów rozszczepienia w ciągu 2 minut utrzymywania paliwa w temperaturze T [55]

3.7a. Zdaniem Lorenza przedłużenie okresu wyżarzania z 2-3 do około 10 minut nie spowodowałoby znacznej zmiany we frakcji wydzielonych produktów rozszczepienia [57].

Komentując te stosunkowo wysokie wydzielenia autorzy [57] stwierdzają, że w omawianym procesie następuje uwolnienie tych gazów i par produktów rozszczepienia, które już wcześniej wydostały się z ziaren UO² na ich powierzchnie. Prawdopodobnie dlatego przedłużanie czasu grzania ma już niewielki wpływ na wielkość frakcji wydzielonej. Wyniki uzyskane przez Lorenza [2] charakteryzują się następującymi cechami:

- Frakcja gazowych i lotnych produktów rozszczepienia uwolniona w czasie grzania rośnie szybko z temperaturą od około 0,3% łącznej aktywności w paliwie przy temperaturze wygrzewania 1300°C poprzez 7% przy temperaturze 1440°C do 25% przy temperaturze 1610°C. Przy dalszym podnoszeniu temperatury frakcja ta nie zmienia się, zaczyna się proces dyfuzji z ziaren UO²;

- Uwolnienia z porów i tuneli przebiegają szybko, np. w temperaturze 1440°C ponad połowa zawartej w nich aktywności uwalnia się w ciągu 0,4 minuty. Przedłużenie wygrzewania ponad 2-3 minuty nie daje znacznego wzrostu tej frakcji, poza wzrostem odpowiadającym powolnej dyfuzji z ziaren.

- Frakcja kryptonu wydzielona w temperaturze 1600°C jest wyraźnie mniejsza od frakcji jodu lub cezu. Jest to zapewne wynikiem dokonanej wcześniej operacji cięcia paliwa wypalonego w EJ Robinson na segmenty o długości 30 cm. W czasie tej operacji, wykonywanej w temperaturze pokojowej, krypton zawarty w szczelinie pod koszulką i częściowo w otwartych porach w paliwie ulotni się, natomiast cez i jod występujące w postaci ciała stałego pozostawały podczas tej operacji na powierzchni wewnętrznej koszulki, na powierzchni zewnętrznej pastylek paliwowych lub na powierzchniach porów paliwowych.

- Frakcja cezu uwolniona w temperaturze 1600°C jest nieco mniejsza od frakcji jodu.

Powodem jest to, że jod występuje niemal w całości w postaci Csl o temperaturze wrzenia 1280°C lub Rbl (o temperaturze wrzenia 1264°C), pierwiastkowej I² (temperatura wrzenia 183°C), związku HI (temperatura wrzenia -35°C) i innych związków o temperaturach wrzenia poniżej 1300°C. Natomiast cez występuje w postaci nie tylko Csl, ale też CsBr o temperaturze wrzenia 1300°C i CS2UO4 o temperaturze wrzenia znacznie wyższej od

1300°C.

- W korelacji opisującej dane Lorenza należy więc przyjąć dwie różne wielkości frakcji aktywności zawartej w porach otwartych łącznie z obszarem pod koszulką, która może wydzielić się w ciągu 2 minut grzania paliwa, a mianowicie:

dla I długożyciowego.^0 = 25%, dla C s / ^ 21%,

dla Kr - jak dla j o d u ^ o = 25%.

Tabela 3.7, a. Frakcje kryptonu, cezu i jodu wydzielone z paliwa EJ H.B.Robinson podczas wyżarzania przez 2 minuty [57]

Temperatura, °C 1300

1400 15001600

0,022Kr 0,094 0,143 0,167

0,0006Cs 0,070 0,146 0,210

0,0003I 0,043 0,131 0,245

Tabela 3.7, b. Porównanie frakcji cezu i jodu wydzielonych podczas wyżarzania paliwa EJ Robinson [57]

z obliczeniami kodem REFRAC [85]

Temperatura, °C 1300

14001500 1600

f Cez 0,0006 0,070 0,146 0^?210

f(T)/f(1600) 0,003 0,333 0,679 1

f Jod 0,0003 0,043 0,131 0^45

f(T)/f(1600) 0,001 0,176 0,535 1

fT-1280} ^{l b} (1600-1280) 0,015 0,23 0,571

W kodzie REFRAC [85] zastosowano korelację opisującą wydzielanie jodu i cezu w obszarze temperatur od 1280 do 1600°Ć o następującej postaci:

/.

max wrz (Csl)

1.5 [1 - exp (- 2 At)]

gdzie: At - czas, w ciągu którego paliwo utrzymywane jest w temperaturze T^p; r^wra(CsI)=1280°C;

= 1600°C;

= 25%dlaKriI /por,o ⁼ 21% dla Cs.

Porównanie wydzieleń w okresie 2 minut obliczonych tym wzorem z wydzieleniem cezu i jodu podanymi w tab. 3.7a wg Lorenza [55] i Clementa [57] przedstawiono w tab. 3.7b. Ponieważ wydzielenia określone przez Lorenza w [55] były wydzieleniami całkowitymi, z kryształów i porów międzykrystalicznych oraz z przestrzeni kompensacyjnej, wobec tego w obliczeniach kodem REFRAC również przyjęto, że w obliczoną wielkość wydzieleń wchodzą wszystkie powyższe składniki.

W badaniach reaktorowych temperatura paliwa jest wyższa od temperatury w szczelinie pod koszulką. Oznacza to, że np. Csl wydzielający się w temperaturze powyżej 1300°C z paliwa będzie osiadał na koszulce o temperaturze około 1200°C. Efektu tego nie było w doświadczeniu Lorenza, gdzie i paliwo, i koszulka były utrzymywane w tej samej temperaturze. Dlatego też wydzielenia z paliwa wynikające z danych Lorenza [55] należy pomnożyć przez współczynnik uwolnień ze szczeliny dla temperatury szczeliny

Współczynnik ten określony w korelacji i Lorenza dla r^{n a}j^{y c h m}= 900°C i 7 ^ = 1200°C podano powyżej w rozdziale 3.1.2.

3.4. Wydzielanie dyfuzyjne produktów rozszczepienia z wnętrza ziaren UO² - wyniki