Теоретическо-экспериментальное исследование особенностей гидридного разрушения циркониевых оболочек твэлов при эксплуатации и последующем сухом хранении

В текущей острой геополитической ситуации России необходимо расширять влияние в дружественных странах Средней Азии, Африки и Южной Америки путем строительства объектов использования атомной энергии, где в перспективе ближайших лет самым серьезным конкурентом станет стремительно развивающийся в этом направлении Китай. Поэтому, для сохранения лидерской позиции, Российской Федерации необходимо наращивать темп развития реакторных технологий. Среди наиболее оперативных решений, которые могут дать быстрый и эффективный результат, находится увеличение глубины выгорания ядерного топлива и продление его работы при сохранении существующей конструкции реакторов, что не требует глобальных изменений в производстве. Проведенные исследования последних лет показали, что постепенное повышение выгорания возможно и отечественные циркониевые сплавы уверенно выдержат все циклы работы в активной зоне. Однако после эксплуатации тепловыделяющие сборки будут перемещены на длительный период в хранилища мокрого или в перспективе сухого типа, но на данный момент такого практического опыта для российских циркониевых сплавов (Э110опт и Э635) нет. Сущность проблемы заключается в том, что в процессе работы реактора циркониевые сплавы накапливают растворенный водород, который при охлаждении приводит к выпадению гидридов циркония в виде протяженных пластин. При изменении температуры в реакторе, в особенности при переходных режимах размеры гидридов могут увеличиваться. В ненапряженном состоянии в оболочечных трубах гидриды ориентированы преимущественно в тангенциальном направлении, что определяется технологией производства. Однако в процессе эксплуатации твэлов внутри них начинает повышаться давление из-за ряда процессов: накопление продуктов деления под оболочкой, контакт топливо-оболочка вследствие распухания топлива, увеличение давления газа в зазоре топливо-оболочка при переходных режимах и др. Таким образом, постепенное увеличение давления внутри твэла может приводить к тому, что в трубах возникают растягивающие тангенциальные напряжения. Ориентация гидридов в условиях растягивающих напряжений и колебаний температур на различных этапах эксплуатации меняется и вытянутые пластины δ-ZrH2 оказываются ориентированными в радиальном направлении. Радиально-ориентированные гидриды в циркониевых трубах существенно снижают пластичность оболочек и играют основную роль в растрескивании их наружной части, что может приводить к утечке радиоактивных элементов. Исследование этой проблемы широко освещено для зарубежных сплавов типа циркалой (Zry2, Zry4) с основной легирующей добавкой в виде олова. Однако в российских сплавах основным легирующим элементом является ниобий, что делает прогнозирование поведения данных сплавов по зарубежным моделям невозможным. Поэтому актуальным направлением является анализ ориентации гидридов относительно радиального направления и ее изменения при варьировании температуры под воздействием растягивающих тангенциальных напряжений. В данной работе будет проведен комплекс исследований наводороженных оболочек твэлов и ячеек дистанционирующих решеток из сплавов Э110 разных модицикаций и Э635 с применением самых передовых исследовательских методов применяемых в мире для решения подобных задач, где необходимо сопоставлять данные методов синхротронного (SXRD), рентгеновского анализа (XRD) и электронной микроскопии (SEM, EBSD, EDX). Также будет написан и верифицирован программный код на основе искусственной нейронной сети для интерпретации экспериментальных данных. Полученный массив результатов позволит провести наиболее полноценное моделирование, отвечающее современным мировым научным требованиям, чтобы спрогнозировать свойства российских циркониевых сплавов в отработавшем ядерном топливе в условиях сухого и мокрого хранения.