CÁC HIỆN TƯỢNG CƠ HỌC XUNG QUANH THANH NHIÊN LIỆU: PHỒNG RỘP, THAY ĐỔI MẬT ĐỘ, BIẾN DẠNG… Tài liệu tham khảo dựa báo cáo nhiệm vụ “HỢP TÁC NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ AN TOÀN VÙNG HOẠT LÒ PHẢN ỨNG NĂNG LƯỢNG NƯỚC NHẸ TRONG CÁC ĐIỀU KIỆN CHUYỂN TIẾP VÀ SỰ CỐ” Mục lục Mở đầu Error! Bookmark not defined Các tính chất lý nhiên liệu vỏ bọc 1.1 Thành phần cấu trúc vật liệu vùng hoạt LPƯ 1.2 Nhiên liệu UO2 1.2.1 Độ dẫn nhiệt 1.2.2 Giãn nở nhiệt 1.2.3 Các tính chất học 1.3 Vỏ bọc nhiên liệu Zircaloy 10 1.4 Một số sai hỏng nhiên liệu 11 Sản phẩm phân hạch 13 2.1 Suất sản phẩm phân hạch 13 2.2 Trạng thái vật lý sản phẩm phân hạch 15 2.3 Trạng thái hóa học sản phẩm phân hạch UO2 17 2.4 Sự di cư sản phẩm phân hạch 18 Sự phồng rộp nhiên liệu sản phẩm khí phân hạch 21 3.1 Tốc độ sinh khí phân hạch 23 3.2 Phương trình trạng thái Xenon 24 3.3 Cân lực học bọt khí 24 3.5 Phồng rộp nhiên liệu 25 Tương tác học nhiên liệu – vỏ bọc 28 4.1 Biến dạng vỏ zircaloy 28 4.1.1 Biến dạng trục 28 4.1.2 Biến dạng xuyên tâm 30 4.1.3 Sức căng chóp lồi mặt viên nhiên liệu 32 4.1.4 Sức căng hiệu dụng vỏ bọc 32 4.2 Sức căng nứt gẫy bề mặt nhiên liệu 33 Ảnh hưởng chiếu xạ nên đáp ứng học nhiên liệu vỏ bọc 35 5.1 Dịch chuyển biên hạt 35 5.2 Một số khái niệm 36 5.3 Cứng hóa chiếu xạ 39 5.4 Nứt gẫy giòn hóa 45 5.5 Dão phát triển chiếu xạ 48 Kết luận 52 Rất nhiều vấn đề học phát sinh nhiên liệu, gây sai hỏng bó nhiên liệu, làm giảm thời gian hiệu sử dụng nhiên liệu, chí gây cố nặng cho NMĐHN Phần lớn sai hỏng nhiên liệu liên quan liên quan đến vấn đề học như: Tương tác viên nhiên liệu vỏ bọc (PCI) gây nứt gẫy ăn mòn ứng suất (SCC); phồng, nổ nhiên liệu sản phẩm khí phân hạch; ăn mòn học nhiên liệu, gá đỡ, màng ngăn mảnh vụn phân hạch hay ma sát nhiên liệu; Xu hương sai hỏng, tỷ lệ sai hỏng cho LPƯ thương mại PWRs BWRS thống kê năm (2000 - 2005) hình phía Sai hỏng nhiên liệu cho lò PWRs chủ yếu ăn mòn gá đỡ-thanh gây ma sát dao động nhiên liệu Đối với lò BWRs, phần sai hỏng ăn mòn bã thải dư thừa sinh trình vận hành LPƯ Các sai hỏng PCI-SCC chiếm tỷ phần tương đối lớn nhiên liệu lò BWRs Thực tế, sai hỏng xảy không nguyên nhân định mà nhiều nguyên nhân tác động Chẳng hạn, độ phản ứng tăng đột ngột, khí phân hạch tạo lớn dẫn đến phồng rộp vỏ nhiên liệu, giảm độ bền, tăng vết rạn nứt vỏ Thêm vào đó, lò PWRs, ma sát dao động gá đỡ nhiên liệu dễ dàng phá hủy vỏ; lò BWRs, nước tạo qua khe nứt vào nhiên liệu làm tăng tốc độ ăn mòn vỏ Crud/Corrosion PWR Failures (2000-2005) BWR Failures (2000-2005) Debris Fabrication Grid-to-rod Fretting PCI-SCC Unknown Xu hướng sai hỏng nhiên liệu lò PWR BWR [1] Như vậy, phân tích an toàn nhằm cải tiến nhiên liệu xây dựng tiêu chuẩn cho nhiên liệu, việc nắm bắt tượng học xảy xung quanh nhiên liệu cần thiết Báo cáo tập trung làm rõ khía cạnh tượng luận nêu lên số kết nghiên cứu đối chứng thu từ nghiên cứu giới đáp ứng học nhiên liệu Các tính chất lý nhiên liệu vỏ bọc Phân tích đáp ứng vật liệu hệ thống LPƯ có vai trò quan trọng an toàn LPƯ Ta biết rằng, LPƯ môi trường khắc nghiệt nhiên liệu vật liệu cấu trúc (hệ thống ống, bơm, van, vỏ lò, v.v) nhiệt độ, áp suất vận hành cao (khoảng 3000C 15 MPa với lò PWR) mức độ chiếu xạ cao Hơn nữa, tác động học hóa học đan xen làm giảm phẩm chất tuổi thọ nhiên liệu vật liệu cấu trúc khác 1.1 Thành phần cấu trúc vật liệu vùng hoạt LPƯ Các thành phần vật liệu vùng hoạt LPƯ có vai trò quan trọng đặc trưng học vật liệu Thành phần cấu trúc vật liệu nghiên cứu cải tiến liên tục để đảm bảo tính an toàn kinh tế cho nhiên liệu LPƯ Bảng 1-1 liệt kê thành phần vật liệu nhiên liệu, vật liệu cấu trúc, vật liệu điều khiển chất tải nhiệt loại LPƯ Bảng 1-1 Các thành phần vật liệu nhiên liệu vật liệu cấu trúc sử dụng LPƯ [2] Thành phần Vật liệu Các vấn đề vật liệu Giải phóng khí phân hạch; phồng rộp sản phẩm phân hạch; Nhiên liệu UO2, (U,Pu)O độ dẫn nhiệt giảm theo độ cháy Zircaloy: 1,5Sn Ăn mòn nước, hydrua hóa; giòn Vỏ bọc, gá đỡ 0,5(Fe,Ni,Cr) -0,1O -Zr hóa – phát triển; dão; gặm mòn Hấp thụ Ag-Cd-In (PWR); B4C Giòn hóa, dão nhiệt neutron (BWR); Gd2O3 (cả hai) Hợp kim thép RPV Giòn hóa chiếu xạ (2Cr -1Mo -Fe) Hợp kim thép Iconel: Tắc ống, gẫy, lồi lõm, dò chất tải SG 60Ni -25Cr -15Fe nhiệt sơ cấp sang nước thứ cấp Trong vùng Thép không gỉ: Phồng/dão, nứt gẫy ăn mòn hoạt 18Cr -8Ni -Fe-Inconel ứng suất (SCC), dão Ngoài vùng Thép không gỉ SCC hoạt Van, bơm Hòa tan Cobalt  kích hoạt Thép không gỉ; hợp kim vùng hoạt  lắng đọng stellite: nồng độ Cr cao vòng thứ cấp Thành phần cấu trúc vật liệu sử dụng vùng hoạt LPƯ thay đổi Sự chuyển pha cấu trúc, hình thành sản phẩm phân hạch, biến đổi nguyên tố chiếu xạ, v.v, làm cho đáp ứng học nhiên liệu trở lên phức tạp tạo thách thức lớn cho tính toàn vẹn nhiên liệu LPƯ 1.2 Nhiên liệu UO2 UO sử dụng làm nhiên liệu cho lò LWR Đặc trưng điển hình UO tính bền vững tương thích với môi trường nước có trở kháng ăn mòn cao UO2 có cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt (FCC) loại CaF2 vật liệu đơn pha [1,3] Hình 1-1 Giản đồ pha UO2 [3] Một số đặc trưng UO cần xem xét thiết kế [4,5]: - Sự thay đổi độ rỗng phồng rộp nhiên liệu làm thay đổi tính chất vật lý nhiên liệu độ dẫn nhiệt, dão, độ bền số đàn hồi, ảnh hưởng tới lượng khí dư viên nhiên liệu Quá trình tự phục hồi sau phồng rộp dẫn đến thay đổi, co giảm kích thước lỗ rỗng làm tăng mật độ UO2 - Thành phần hợp thức UO ảnh hưởng đến tất tính chất vật lý, đặc biệt tính chất phụ thuộc vào tính linh động nguyên tử, áp suất ôxy đáp ứng hóa học sản phẩm phân hạch Hình 1-1 giản đồ pha tổng thể nhiên liệu UO - Nhiệt độ tâm nhiên liệu cao chênh lệch lớn theo phương bán kính trở kháng sốc nhiệt UO2 nhỏ giòn hóa nhiệt độ thấp dẫn đến nứt gẫy vùng biên thay đổi cấu trúc vi mô phần tâm nóng viên nhiên liệu Hơn viên nhiên liệu nạp vào ống vỏ nên tương tác nhiên liệu vỏ bọc không tránh khỏi 1.2.1 Độ dẫn nhiệt Nhiên liệu gốm UO có độ dẫn nhiệt thấp dễ dòn hóa theo nhiệt độ Tuy nhiên, ứng dụng lò LWR, nhiệt độ tâm nhiên liệu trì điểm nóng chảy 2865±150C Phân bố nhiệt độ nhiên liệu kiểm soát áp suất khí phân hạch tác dụng lên nhiên liệu, biến dạng viên nhiên liệu, tích trữ lượng trao đổi nhiệt với chất tải nhiệt Nhiệt độ nhiên liệu lại phụ thuộc vào trao đổi nhiệt nhiên liệu, khe, vỏ bọc chất tải nhiệt Độ dẫn nhiệt khe phụ thuộc vào độ dày khe, độ nhám bề mặt viên nhiên liệu vỏ bọc, độ dẫn nhiệt hỗn hợp khí Hình 1-2 phụ thuộc độ dẫn nhiệt vào nhiệt độ với mật độ UO 95% lý thuyết Độ dẫn nhiệt UO có dạng hàm parabol, thấp gần khoảng 1700 đến 20000C Trong khoảng nhiệt độ 5000C, hư hại chiếu xạ ảnh hưởng mạnh đến độ dẫn nhiệt UO2 Trên 5000C, vùng công suất vận hành, ảnh hưởng hư hại chiếu xạ bị hạn chế trình ủ nhiệt nên ảnh hưởng không đáng kể đến độ dẫn nhiệt UO [3] Sự biến thiên độ dẫn nhiệt biến đổi mặt cấu trúc viên nhiên liệu Độ dẫn nhiệt không phụ thuộc vào độ rỗng tổng mà phụ thuộc vào phân bố kích thước, hình dạng định hướng vùng rỗng Quan hệ độ dẫn nhiệt độ rỗng vật liệu đưa sau:   1   P  / 1  0,05   g5 P  1   / th  Trong đó, λ độ dẫn nhiệt, λg5 độ dẫn nhiệt nhiên liệu 95%, P độ rỗng, ρ ρth mật độ UO2 thực tế lý thuyết Độ rỗng thay đổi liên tục lượng hình thái học LPƯ vận hành Ngoài ra, độ dẫn nhiệt phụ thuộc vào tỷ lệ U/O Thành phần nhiên liệu gần hợp thức tăng chậm trình cháy ảnh hưởng tỷ lệ nhỏ [3] Hình 1-2 Độ dẫn nhiệt tích phân độ dẫn nhiệt UO2 [3] 1.2.2 Giãn nở nhiệt Sự biến dạng mô hình nứt gẫy gây giãn nở nhiệt ứng suất nhiệt Do phân bố nhiệt độ không theo hướng bán kính nên giãn nở xảy không đồng Quá trình nâng hạ công suất làm mát chất tải nhiệt dẫn đến tăng giảm nhiệt độ kéo theo co giãn luân phiên liên tục nhiên liệu Sự biến dạng không nguyên nhân gây nứt gẫy viên nhiên liệu tiếp xúc viên nhiên liệu vỏ bọc Các thực nghiệm đo đạc trực tiếp khoảng 20 – 60% không gian khe bị chiếm nhiên liệu trình tăng nhiệt độ tới nhiệt độ vận hành, sau 500 chiếu xạ khoảng 20% khe bị chiếm [3] Sau độ cháy nâng cao, vỏ bọc nhiên liệu bị dão vượt ngưỡng ứng suất căng, toàn khe bị chiếm nhiên liệu Hình 1-3 Độ giãn nở nhiệt UO2 [3] Tỷ lệ giãn nở theo hướng trục hướng bán kính không dẫn đến viên nhiên liệu có dạng hình khúc tre với hai mặt đầu viên nhiên liệu có dạng đĩa lõm Hình 1-3 quan hệ độ giãn nở theo hướng trục (kéo dài) với nhiệt độ Tỷ lệ biến thiên chiều dài chiều dài viên nhiên liệu tăng nhiệt độ tăng 1.2.3 Các tính chất học Các tính chất học UO2, đặc biệt tính chất phụ thuộc vào thời gian tốc độ gia tương đối quan trọng nâng giảm công suất LPƯ Đối với vật liệu đa tinh thể đẳng hướng, có hai đặc trưng độc lập ứng suất Young E (modun đàn hồi) tỷ số Poisson   E / 2G (G ứng suất trượt) [6] Với UO2, đặc trưng phụ thuộc vào tất yếu tố ảnh hưởng đến lực tương tác nguyên tử mạng tinh thể nhiệt độ, độ rỗng, kích thước hạt, tỷ lệ U/O hàm lượng nguyên tố ngoại lai [4] Khi tăng nhiệt độ, độ cứng mạng tinh thể giảm Hình 1-4 phụ thuộc suất Young E theo nhiệt độ với UO hợp thức có mật độ khoảng 91,1 đến 95,9% Với xấp xỉ bậc nhất, ứng suất Young tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ hệ số tỷ lệ độc lập với độ rỗng Quan hệ diễn tả theo công thức sau: E  E  CT exp  Tc / T  Trong E0 = 22,7E4 N/mm2, C = 20,42 N/mm2K Tc nhiệt độ đặc trưng tương ứng với 1/2 nhiệt độ Debye (135K) Hình 1-4 Sự phụ thuộc ứng suất Young nhiệt độ [3] Quan hệ ứng suất Young tỷ phần thể tích rỗng P UO2 hợp thức nhiệt độ phòng là: E  E0 1  AP  E  E0 exp  bP  Trong đó, E0, A b số Hai quan hệ tương đương khoảng P < 0,1 Kết hợp ảnh hưởng nhiệt độ độ rỗng ứng suất Young, áp dụng với A = 2,625 cho lỗ rỗng dẹp tỷ lệ trục 1,5 ta có: E   22, 10  20,1T  58, 10 P  N/mm Ảnh hưởng kích thước hạt nên suất Young nhỏ Tính hợp thức nhiên liệu thể giá trị x (UO2+x) ảnh hưởng nên suất Young sau: E  19,8 104 exp  1,,527 x  N/mm2 Giá trị E giảm khoảng 22% với 2,00 ≤ O/U ≤ 2,16 Tỷ lệ Poisson tỷ lệ sức căng theo hướng trục khác Tỷ lệ Poisson đặc trưng khoảng 0,316 Sự phụ thuộc tỷ lệ vào nhiệt độ độ rỗng nhỏ không rõ ràng Nhiệt độ chuyển pha giòn-dẻo Tc nhiệt độ mà đạo hàm bậc đường cong ứng suất – sức căng bắt đầu tuyến tính Trong khoảng T < Tc, ứng suất nứt gẫy biết thông qua mở rộng vết nứt tồn Ứng suất nứt gẫy σF với chiều dài nứt gẫy C độ rỗng P khoảng 0,05 đến 0,15 tính sau [7]: 1/  F   2E /  C  Trong đó, γ lượng nan truyền nứt gẫy bề mặt Do γ tỷ lệ với E nên σF tỷ lệ với nhiệt độ độ rỗng Tc thường xấp xỉ ½ lần nhiệt độ nóng chảy tuyệt đối Tuy nhiên, Tc tăng tốc độ uốn cong kích thước hạt tăng Quan hệ chi tiết bảng 1-2 Bảng 1-2 Nhiệt độ chuyển tiếp giòn hóa Tc nhiên liệu UO2 [3] Tc (0C) Tốc độ sức căng (h-1) Kích thước hạt (μm) 1100 1375 1450 1050 1000 0,092 0,92 9,2 0,092 0,092 8 15 31 Trong khoảng Tc < T, số biến dạng xảy trước nứt gẫy Ở nhiệt độ cao mô hình nứt gẫy hoàn toàn chuyển hóa dẻo sang giòn hóa Cơ chế bao trùm lên đáp ứng ứng suất sức căng với tốc độ uốn cong không đổi xem đáp ứng dão Đáp ứng dão UO (U,Pu)O phức tạp tốc độ dão phụ thuộc mạnh vào tỷ lệ O/U, O/Pu, cấu trúc vi mô Ở nhiệt độ 1200 0C, dão nhiệt chế trội, 12000C chế dão chiếu xạ kiểm soát tốc độ 1.3 Vỏ bọc nhiên liệu Zircaloy Vỏ bọc nhiên liệu lớp giãm giữ phóng xạ, ngăn cho sản phẩm phân hạch không thoát nhiên liệu vào chất tải nhiệt Thiết kế cấu hình nhiên liệu vỏ phải đảm bảo tính kinh tế, khả làm mát giam giữ phóng xạ điều kiện vận hành bình thường, chuyển tiếp cố Một số vấn đề quan trọng liên quan đến vỏ nhiên liệu xâm nhập, xuyên sâu vào vỏ bọc nhiên liệu tương tác nhiên liệu vỏ bọc ăn mòn, tác động ứng suất nhiệt độ lên vỏ nhiên liệu Hợp kim zircaloy gồm Zircaloy-2 sử dụng lò BWR Zircaloy-4 sử dụng cho lò PWR hợp kim có độ bền học cao, dẫn nhiệt tốt, trơ mặt hóa học, chịu môi trường khắc nhiệt nhiệt độ, áp suất độ chiếu xạ cao Thành phần vật liệu hai hợp kim liệt kê bảng 1-3 Các thành phần với hàm lượng khác có vai trò làm tăng trở kháng ăn mòn cho hợp kim Bảng 1-3 Thành phần cấu trúc hợp kim Zircaloy [8] Sn (%) Fe (%) Cr (%) Ni (%) O (%) Zircaloy 1,2 – 1,5 0,07 – 0,2 0,05 – 0,15 0,03 – 0,08 0,09 – 0,16 Zircaloy 1,2 – 1,5 0,18 – 0,24 0,07 – 0,13 - 0,09 – 0,16 10 tải lực tác dụng định Vùng goi “necking” ứng suất hay sức căng mà tượng bắt đầu gọi điểm bất ổn định đàn hồi Hình 5-2 Đường cong ứng suất – sức căng [4] - Tính dẻo xác định hiệu sức căng ứng suất nứt gẫy thực ứng suất đàn hồi, εf – εy, độ giãn dài đồng tổng cộng tới vùng chân - Sự giòn hóa có nghĩa giảm độ dẻo theo hai cách định nghĩa - Tính dẻo dai khả kim loại biến dạng đàn hồi trước nứt gẫy định nghĩa lượng đơn vị thể tích cần cho nứt gẫy Nó tính diện tích phía đường cong ứng suất – sức căng tới điển F hình 5-2 - Năng lượng hấp thụ để gây biến đổi chiều dài goi lượng va chạm “impact energy” Năng lượng thay đổi theo nhiệt độ (hình 5-3) Nhiệt độ mà chuyển tiếp từ dẻo sang giòn hóa gọi nhiệt độ chuyển pha dẻo – giòn hóa (DBTT) 38 - Biến dạng đàn hồi phụ thuộc vào ứng suất, sức căng ban đầu cuối cùng, biến dạng dẻo phụ thuộc vào quãng đường tác dụng lực mà trạng thái cuối đạt Quan hệ biến dạng dẻo biến dạng đàn hồi thể qua quan hệ hàm mũ:   K pn Hình 5-3 Quan hệ lượng hấp thụ nhiệt độ [7] Hình 5-4 Ảnh hưởng chiếu xạ lên đường cong ứng suất – sức căng [7] 5.3 Cứng hóa chiếu xạ Cứng hóa hay mềm hóa định nghĩa tăng giảm giới hạn đàn hồi vật liệu khoảng nhiệt độ lớn, Tirr < 0,3Tm Đường cong ứng suất - sức căng kỹ thuật cho thép với cấu trúc lập phương tâm mặt (FCC) lập phương tâm khối (BCC) hình 5-4 Với hai cấu trúc này, giới hạn đàn hồi tăng dẫn đến giảm độ dẻo Chiếu xạ làm tăng giới hạn đàn hồi σ, lớn nhiều so với độ bền kéo tối đa σ UST cho hai cấu trúc [4,7] 39 Cứng hóa chiếu xạ hai cấu trúc FCC BCC gây việc tạo sai hỏng cấu trúc như: cụm sai hỏng, cụm tạp chất, dịch chuyển khối, dịch chuyển đường, rỗng bọt khí, kết tủa Chiếu xạ kim loại làm cho kim loại bền vững sơ cứng nguồn sơ cứng ma sát Sơ cứng nguồn tăng ứng suất yêu cầu để bắt đầu gây dịch chuyển mặt phẳng trượt Ứng suất yêu cầu để giải phóng dịch chuyển mặt phẳng trượt gọi ứng suất tháo gỡ Trong trình di chuyển, chuyển bị cản trở chướng ngại tự nhiên chướng ngại tạo chiếu xạ gần mặt phẳng trượt Trở kháng ngăn cản di chuyển gây chướng ngại ám cứng hóa ma sát Cứng hóa nguồn: Trong kim loại FCC không chiếu xạ, ứng suất yêu cầu để khởi đầu di chuyển xác định với ứng suất tháo gỡ làm tính cố định nguồn tạp chất hay nguồn Frank-Read kim loại Ứng suất tỷ lệ nghịch với khoảng cách điểm cố định Ở ứng suất thấp nguồn dễ dàng vận động tạo dịch chuyển Ứng suất biến dạng dẻo dừng va chạm tạo ứng suất tác dụng ngược lên nguồn làm chúng dừng hoạt động Khi ứng suất tăng, nguồn dịch chuyển vận động sức căng tăng Việc nhân rộng dịch chuyển tinh thể gây lộn xộn dịch chuyển di động ứng suất cần thiết cho dịch chuyển song song để di chuyển chướng ngại qua cho dịch chuyển không song song để cắt ngang chúng Quá trình cứng hóa làm tăng độ trơn đường cong ứng suất – sức căng Mặc dù cứng hóa nguồn không tìm thấy kim loại hợp kim FCC tượng giống kim loại BCC chiếu xạ Cứng hóa nguồn thể giới hạn đường cong ứng suất – sức căng Thép ferit không chiếu xạ ảnh hưởng rõ Trong kim loại FCC giới hạn giảm có mặt cứng hóa nguồn quan sát sau chiếu xạ Sự phát triển cứng hóa nguồn kim loại FCC bị chiếu xạ cụm sai hỏng tạo trình chiếu xạ vùng lân cận nguồn Frank-Read Các chướng ngại tăng ứng suất yêu cầu để mở rộng khối cho phép trình nhân lên tiếp tục Mức ứng suất đủ để giải phóng nguồn cản trở, dịch chuyển di động phá hủy cụm sai hỏng nhỏ giảm ứng suất cần để tiếp tục biến dạng 40 Cứng hóa ma sát: Các lực hạn chế di chuyển dịch chuyển qua tinh thể đặc trưng quãng đường ngắn hay dài Ứng suất trượt tổng cần để di chuyển dịch chuyển tổng ứng suất khoảng dài khoảng ngắn:  i   LR   SR Trong σi ứng suất ma sát, σLR σSR ứng suất khoảng dài ứng suất khoảng ngắn Ứng suất khoảng ngắn tổng ứng suất tủa lắng, rỗng khối:  SR   ppt   void   loops Ứng suất khoảng dài: Các lực khoảng dài xuất phát từ tương tác đảy dịch chuyển di động thành phần mạng dịch chuyển vật rắn Mặc dù mạng dịch chuyển kim loại không giống với chuỗi thông thường Nó thường xem chuỗi khối chữ nhật mà cạnh hình thành đường dịch chuyển Các lực tương tác trường ứng suất dịch chuyển hình thành khối dịch chuyển mạng cạnh mặt mặt đáy hình chữ nhật Khi đó, ứng suất khoảng dài tính sau:  LR  FLR / b  b  d Trong đó, α số ~ 0,44, ρd = 1/d mật độ dịch chuyển quan sát dựa kích thước hạt d Hình 5-5 Sơ đồ mặt giao cắt chướng ngại vật bán kính r khoảng cách l đơn vị diện tích mặt trượt [4] 41 Ứng suất khoảng ngắn: Các lực khoảng ngắn vật cản nằm mặt trượt dịch chuyển di động Các lực có tác dụng dịch chuyển di động đến gần tiếp xúc với vật cản Các vật cản tác dụng lực lên dịch chuyển di động điểm tiếp xúc Các lực khoảng ngắn chia theo thành phần không dẫn nhiệt thành phần kích hoạt nhiệt Các chế không dẫn nhiệt bao gồm phồng dịch chuyển xung quanh chướng ngại không xuyên qua Trong trình kích hoạt nhiệt, việc thắng vật cản yêu cầu dịch chuyển xuyên qua vượt qua chúng quãng đường mà qua Ứng suất ma sát phân tán vật cản phụ thuộc vào tách biệt vật cản mặt trượt dịch chuyển di động Hình 5-5 đơn vị diện tích mặt trượt cắt ngang phần đối tượng dạng cầu đường kính d phân bố ngẫu nhiên vật rắn với nồng độ N cm-3 Khoảng cách chướng ngại vật l là: l   Nd  1/2 Các chất kết tủa: Khi dịch chuyển gặp vật cản dạng kết tủa rời rạc, tương tác khoảng ngắn xảy tiếp xúc vật lý với vật cản Với vật cản lớn, ứng suất tác dụng gây dịch chuyển vòng qua vật cản Sự vòng tiếp tục phần bên cạh tiếp xúc triệt tiêu lẫn Quá trình bóp méo giống xảy với nguồn Frank-Read Sau trình này, dịch chuyển tiếp tục dọc mặt trượt cách tự gặp vật cản khác trình lặp lại Các vật cản bị dời với khối dịch chuyển xung quanh chúng trở thành vật cản mạnh cho dịch chuyển (hình 5-6) Hình 5-6 Dịch chuyển vòng xung quanh chướng ngại vật cứng chất kết tủa [7] 42 Dịch chuyển vòng mạnh dần lên vật cản Tuy nhiên, việc xuyên qua vật cản làm cho bền vững Việc xuyên qua chướng ngại vật dẫn đến việc cứng hóa chế khác sau: - Sự trượt hạt tạo bước dịch chuyển với độ rộng b mặt hạt việc tăng diện tích mặt yêu cầu cần thêm công để gây trượt hạt - Nếu hạt có cấu trúc trật tự thành phần hợp kim việc trượt tạo mặt hạt yêu cầu nhiều lượng - Việc cứng hóa xuất phát từ khác biệt mođun đàn hồi hạt, ảnh hưởng đến sức căng tuyến tính dịch chuyển yêu cầu ứng suất để xuyên qua hạt - Việc tăng độ bền xảy khác biệt ứng suất Peierls hạt Hình 5-7 Dịch chuyển tương tác với vị trí khuyết rỗng [7] Khuyết rỗng: Dịch chuyển cắt ngang vị trí rỗng cấu trúc vị trí giống thời điểm trước sau việc cắt ngang xảy (hình 57) Các kết tủa rỗng nói chung xem rào cản cứng Sự khác biệt đường dịch chuyển di động qua kết tủa khuyết rỗng trường hợp mà đoạn dịch chuyển luôn gặp mặt rỗng góc bên phải qua khuyết rỗng không theo dịch chuyển vòng 43 Cứng hóa khối: Các khối dịch chuyển hình thành đông đặc nguyên tử điền kẽ tạo trình chiếu xạ gờ cản đơn chất khối bị lỗi gờ hỗn hợp xoắn khối không bị lỗi Nếu mặt trượt dịch chuyển di động qua điểm gần cắt khối dịch chuyển mặt thể trở kháng với di chuyển Để tác dụng lực làm trễ đáng kể lên dịch chuyển di động, tâm khối phải nằm gần với khối dịch chuyển Do đường kính khối nhỏ nhiều so với khoảng cách khối mặt trượt nên khối tác dụng lực lên đường dịch chuyển điểm tiếp xúc Ứng suất trượt cần để thắng trở kháng khối tương ứng với lực lớn Fmax, khối đường dịch chuyển Nếu khoảng cách khối mặt trượt l lực tác dụng đơn vị chiều dài Fmax/l Lực tác dụng trược tiếp lên đường dịch chuyển ứng suất trượt σsbe với be véc tơ Burgers dịch chuyển Như vậy, ứng suất đàn hồi kim loại khối là: s  Fmax be l Các kiểu vật cản gây cứng hóa kim loại bị chiếu xạ tóm tắt bảng 5-1 Bảng 5-1 Độ bền loại chướng ngại vật gây cứng hóa kim loại chiếu xạ [7] Kiểu gia cố Phân loại vật cản Loại vật cản Nguồn Khối cô lập Mạng khối Ma sát Số gia ứng suất 0,09mb l 0, 06mb ss » y ss = Khoảng dài Mạng dịch chuyển s LR = a Mb r d Khoảng ngắn Kết tủa rỗng D s y = a M mb Nd Khối dịch chuyển Điểm đen 44 5.4 Nứt gẫy giòn hóa Giòn hóa kim loại phần biến dạng dẻo hay biến dạng dão xảy trước nứt gẫy Chiếu xạ luôn làm giảm tính dẻo kim loại Nứt gẫy lan truyền nhanh nứt gẫy nhỏ dọc qua toàn thành phàn xảy sau thời gian dài tác dụng ứng suất sau biến dạng dẻo quan sát Sai hỏng nứt gẫy ứng suất xảy liên kết nứt gẫy nhỏ khoảng trống kim loại Đáp ứng nứt gẫy vật liệu cấu trúc không cho lý an toàn chung trường hợp hệ thống nhà lò mà cho lý kinh tế trường hợp hiệu suất nhiên liệu tính tin cậy NMĐHN Các kết đạt xác định giới hạn học kỹ thuật cho nứt gẫy vỏ lò chịu áp hợp kim thành phần phần vùng hoạt LPƯ điều kiện khác Với kim loại nứt gẫy theo kiểu khác phụ thuộc vào hợp kim, nhiệt độ, trạng thái sức căng tốc độ nạp tải Nứt gẫy phân thành hai loại chính: nứt gẫy dẻo nứt gẫy giòn Nứt gẫy dẻo đặc trưng biến dạng dẻo thấy trước suốt trình lan truyền nứt gẫy Nứt gẫy giòn đặc trưng tốc độ lan truyền nứt gẫy nhanh mà không biến dạng thô biến dạng vi mô Biên hai loại nứt gẫy ngẫu nhiên phụ thuộc vào trường hợp xét Nứt gẫy giòn thường xảy phân tách dọc theo mặt tinh thể học với số thấp Mô hình phân tách kiểm soát ứng suất tác dụng vuông góc với mặt tinh thể học Nứt gẫy giòn quan sát kim loại BCC HCP kim loại FCC ngoại trừ giòn hóa biên hạt Cơ chế nứt gẫy: Xét công thực việc di chuyển nứt gẫy khoảng nhỏ Δx Giả sử hình 5-8-a mô tả đầu nứt gẫy mặt chịu tác dụng ứng suất căng đồng σ; hình 5-8-b ứng suất căng σyy tác dụng theo hướng y mặt nứt gẫy khoảng cách Δx đo từ đầu nứt gẫy Ứng suất kẹp chặt nứt gẫy khoảng Δx σ yy tăng tất điểm với giá trị đạt nứt gẫy bắt đầu điểm a Sự mở rộng nứt gẫy từ điểm a tới điểm b hình 5-8-c 45 Khi ứng suất tác dụng tăng đến điểm mà nứt gẫy di chuyển nhanh giá trị tới hạn yếu tố mật độ ứng suất gây lan truyền nứt gẫy là: K c   f c Đại lượng K c độ bền nứt gẫy, liên quan đến lực tác dụng để mở rộng nứt gẫy G c: Gc   2f c K c2  E E Cả Gc Kc thông số đo trở kháng kim loại mở rộng nứt gẫy (c – nửa chiều dài nứt gẫy, E – ứng suất Young, σf - ứng suất nứt gẫy) Hình 5-8 Phương pháp Irwin xác định điều kiện cho nứt gẫy [4] 46 Nứt gẫy giòn hóa: Ba yếu tố góp phần gây nứt gẫy loại phân tách là: trạng thái ứng suất ba trục, nhiệt độ thấp tốc độ kéo căng cao Tất ba yếu tố không xuất đồng thời Trạng thái sức căng ba trục tồn vị trí rãnh chữ V, nhiệt độ thấp ứng với sai hỏng nứt gẫy nghiêm trọng Quá trình nứt gẫy giòn hóa gồm ba giai đoạn sau: - Biến dạng dẻo, va chạm dịch chuyển dọc theo mặt phẳng trượt vị trí vật cản - Tăng từ từ ứng suất trượt vị trí va chạm tới vị trí hình thành nứt gẫy vi mô - Năng lượng sức căng đàn hồi tích lũy điều khiển nứt gẫy vi mô thành nứt gẫy hoàn toàn mà không cần chuyển động dịch chuyển xa va chạm Trong số kim loại điển hình, bước phát triển riêng quan sát ứng suất tăng yêu cầu để lan truyền nứt gẫy vi mô Biến dạng dẻo tích lũy dịch chuyển xử lý lý thuyết uốn cong kim loại, áp dụng cho kim loại thể điểm giới hạn riêng sử dụng để xác định ứng suất nứt gẫy Cả ứng suất đàn hồi độ bền nứt gẫy cho phép suy luận điều kiện nứt gẫy giòn hóa Điểm giới hạn kim loại BCC hay FCC chiếu xạ chứa đóng góp cứng hóa nguồn cứng hóa ma sát Hình 5-9 ảnh hưởng chiếu xạ lên phụ thuộc nhiệt độ giới hạn riêng độ bền nứt gẫy Ta thấy, độ bền giới hạn tăng chiếu xạ dịch chuyển nhiệt độ nứt gẫy giòn hóa tới nhiệt độ cao Tính dẻo giảm mạnh nhiệt độ thấp dẫn đến độ nhạy khác ứng suất đàn hồi σ y ứng suất nứt gẫy σf với hư hại neutron Nhiệt độ chuyển pha dẻo – giòn (DBTT) hay nhiệt độ tính dẻo (NDT) định nghĩa điều kiện σf = σy Do cứng hóa chiếu xạ nguyên nhân ảnh hưởng đến giòn hóa nên yếu tố ảnh hưởng đến cứng hóa ảnh hưởng đến giòn hóa Các yếu tố bao gồm thành phần, cấu trúc vi mô thép, nhiệt độ chiếu xạ môi trường neutron Thành phần, cấu trúc vi mô ảnh hưởng đến việc tăng cường DBTT thép vỏ LPƯ Mức độ giòn hóa giảm nhiệt độ chiếu xạ tăng cao Mức độ giòn hóa hàm phụ thuộc mạnh vào thông lượng neutron, nhiệt độ chuyển tiếp tăng nhanh theo thông lượng 47 Hình 5-9 Quan hệ phụ thuộc nhiệt độ ứng suất đàn hồi độ bền nứt gẫy với nhiệt độ DBTT [7] 5.5 Dão phát triển chiếu xạ Dão biến dạng phụ thuộc vào thời gian kim loại lực tác dụng không đổi nhiệt độ cao (T/Tm > 0,3) Dão yêu cầu hình thành nhiệt lỗ trống chuyển động lỗ trống khuếch tán biên hạt, dịch chuyển qua vật cản trượt dọc theo mặt trượt Nhiệt độ tăng cung cấp lượng cần thiết đề thắng vật cản cản trở chuyển động dịch chuyển Dão phụ thuộc vào ứng suất trạng thái phụ thuộc ứng suất Dão trình quan ứng dụng LPƯ vùng nhiệt độ trung gian, thông lượng neutron cao ứng suất thấp Dão nhiệt: Trong hầu hết hợp kim, dão nhiệt theo chuỗi giai đoạn hình 5-10 Giai đoạn I, kim loại chịu qua trình cứng hóa sức căng dẫn đến giảm tốc độ kéo căng theo thời gian Ở thời gian dài, trình co thắt xảy biến dạng cục dẫn đến tăng tốc độ kéo căng giai đoạn III Giữa hai giai đoạn giai đoạn II, tốc độ dão không đổi nhỏ Trong vùng trình cứng hóa cân phục hồi cho tốc độ dão không đổi Dão vùng xem trạng thái ổn định dão thứ cấp 48 Hình 5-10 Đường cong dão kim loại [7] Phát triển dão chiếu xạ hợp kim Zirconium: Bên cạnh vấn đề phồng dão, tượng gây tác động sức căng vật rắn trình chiếu xạ gọi tượng phát triển Phồng rộp giãn nở thể tích đẳng hướng vật rắn mà không kèm với ứng suất Dão méo mó bảo tồn thể tích vật rắn tác dụng ứng suất Phát triển méo mó bảo tồn thể tích vật rắn mà ứng suất tác dụng Sự phát triển quan sát hệ thống có cấu trúc khác dạng lập phương, đáng kể cho kim loại có cấu trúc lục giác xếp chặt (HCP) Zr Mg Zirconium bền với pha α (HCP) 8630C pha β (BCC) 8630C Tm Hình 5-11 Sức căng phát triển đơn tinh thể Zr theo thông lượng neutron 800C [7] 49 Hình 5-12 Sự phát triển Zr đơn tinh thể thông lượng cao [7] Sự thay đổi hình dạng xảy liên quan đến giãn nở co nén dọc theo trục tinh thể Các khe điền kẽ đông đặc lại khối dịch chuyển nằm mặt lăng trụ lỗ trống từ vùng nghèo chập lại với hình thành khối rỗng nằm mặt sở Quá trình tương ứng với vận chuyển neutron từ mặt sở tới mặt lăng trụ thông qua sai hỏng điểm tạo chiếu xạ Sức căng đơn tinh thể zirconium hàm thông lượng neutron hình 5-11 Sức căng trục tinh thể có khác biệt đáng kể Điều dẫn đến phát triển tinh thể tập trung theo trục Với liều chiếu cao sức căng thể chuyển hướng phát triển 2,5 × 1025 n/cm2 (hình 5-12) Sự đổi hướng xem hình thành nhân phát triển khối rỗng theo trục ưu tiên Sự biến dạng phụ thuộc vào thời gian hợp kim zirconium tổ hợp dão nhiệt, rão phát triển chiếu xạ Dão nhiệt nhỏ nhiệt độ vận hành LPƯ, dão phát triển chiếu xạ không dễ tách biệt Sự phụ thuộc sức căng zirconium không chiếu xạ tính chất dão theo nhiệt độ chia thành ba vùng hình 5-13 Dưới 175 0C ứng suất đàn hồi giảm theo nhiệt độ dão ứng suất đàn hồi không phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ Vùng II vùng không dẫn nhiệt dão khoảng 175 tới 523 0C vùng phục hồi học Trên 5230C vùng phụ thuộc mạnh giới hạn bền vào nhiệt độ phục hồi dẫn đến tốc độ dão ổn định ứng suất không đổi 50 Hình 5-13 Sự phụ thuộc nhiệt độ giới hạn bền hợp kim Zircaloy [7] 51 Kết luận Khía cạnh đáp ứng học nhiên liệu LPƯ quan tính an toàn kinh tế LPƯ Đáp ứng thể tương tác nhiều yếu tố lên nhiên liệu nhiệt đô, áp suất, thông lượng neutron, hàm lượng đồng vị, v.v Các sai hỏng nhiên liệu nguyên nhân học bên găm mòn nhiên liệu mảnh vỡ hay cọ sát lưới giằng thành nhiên liệu, v.v, nguyên nhân chủ yếu gây sai hỏng nhiên liệu Tuy nhiên, sai hỏng khắc phụ dựa cải tiến thiết kế Các đáp ứng học liên quan đến nguyên nhân nội gây sai hỏng nhiên liệu yếu tố bên vô quan trọng Phồng rộp, tương tác nhiên liệu – vỏ bọc ảnh hưởng chiếu xạ nên nhiên liệu vỏ bọc trình bày báo cáo Điểm quan trọng đáp ứng chúng liên quan trực tiếp đến vấn đề kiểm soát độ phản ứng trao đổi nhiệt Các cố nghiêm trọng, đặc biệt nóng chảy vùng hoạt, bắt nguồn từ sai hỏng xảy đáp ứng Việc tìm hiểu, nghiên cứu chế, ảnh hưởng yếu tố nhiệt độ, áp suất, v.v, nên đáp ứng học xung quanh nhiên liệu làm rõ báo cáo Xu hướng, chiều hướng biến đổi, nguyên nhân nêu giúp ta hình dung tranh cụ thể trình diễn biến vùng hoạt LPƯ xung quanh nhiên liệu Tuy nhiên, việc làm rõ hay tách bạch nguyên nhân tác động nên đáp ứng học nhiên liệu phức tạp, số vấn đề trình bày mức khái niệm giúp ta có nhìn tổng thể vấn đề nêu Ngoài ra, vấn đề đề cập đến tính nguyên ven nhiên liệu tiêu chuẩn đảm bảo tính nguyên vẹn Một số tiêu chuẩn đặc trưng mức công suất, độ cháy, PCT, PCI, ứng suất, sức căng, v.v liên quan chặt chẽ đến đáp ứng học nhiên liệu vỏ bọc 52