Влияние молибдена на взаимодействие уран-молибденовых сплавов с железом и коррозионностойкой сталью

В работе приводятся результаты изучения взаимодействия уран-молибденовых сплавов c коррозионностойкими сталями во внереакторных диффузионных экспериментах при температурах 700-850°С. В диффузионной паре U10Mo/Fe13Cr при температуре отжига 700°С наблюдается твердофазное взаимодействие. Увеличение температуры отжига выше эвтектического превращения в системе U-Fe приводит к смене характера диффузии с объёмного на зернограничный. Наблюдается появление жидкой фазы, которая при охлаждении кристаллизуется в эвтектику. Скорость роста слоя взаимодействия для диффузионных пар описывается параболическим законом. Результаты исследования влияния содержания молибдена в сплаве урана на кинетику роста взаимодействия с Fe-Cr показали, что легирование урана молибденом до 17 мас.% приводит к линейному снижению скорости роста всего слоя взаимодействия (К_общ) с коррозионностойкими сталями, а константа скорости роста слоя взаимодействия в сталь (К_п) экспоненциально снижается с увеличением содержания молибдена при температуре 750°С, что обусловлено уменьшением коэффициента взаимной диффузии в системе U-Mo с увеличением содержания молибдена. К_п уменьшается в 10 раз, К_общ уменьшается в 30 раз при температуре 750°C с увеличением содержания Мо от 6 до 17 мас.%. На основе результатов исследования структурно-фазового состояния слоя взаимодействия между сплавами урана и сталями различного состава построены тройные диаграммы состояний сплавов следующих систем U-Mo-Fe, U-Mo-Fe(Cr), при температурах 750°С.

1. Ogata T. Metal Fuel // Comprehensive Nuclear Materials, 2012. V.3. P. 1–40. doi:10.1016/b978-0-08-056033-5.00049-5

2. Maershin A.A., Tsykanov V.A., Gadzhiev G.I., Golovchenko Yu.M., Korol'kov, A.S., Golovanov, V.N., Skiba, O.V., Efimov, V.N., Vaganov, I.V., Kislyi, V.A., Kosulin, N.S., Teikovtsev, A.A., Syuzev, V.N., Shirokova, N.I. Experience in Testing Promising Fuel Compositions in BOR60 // Atomic Energy, 2001. V.. 91 (5). P. 385-389

3. Kim Y. S., Hofman G.L., Yacout A.M., Kim T.K. U–Mo alloy fuel for TRU-burning advanced fast reactors // Journal of Nuclear Materials, 2013. V. 441. P. 520–524

4. Hofman G.L., Walters L.C., Bauer T.H. Metallic Fast Reactor Fuels // Progress in Nuclear Energy, 1997. V. 31. P. 83-110

5. Shornikov D.P., Baranov V.G., Nikitin S.N., Tarasov B.A. Application of powder metallurgy for metal nuclear fuel manufacturing // Tsvetnye Metally, 2015. V. 10. P 85-89

6. Cohen A.B., Tsai H., Neimark L.A. Fuel/cladding compatibility in U- 19Pu-10Zr/HT9-clad fuel at elevated temperatures // Journal of Nuclear Materials, 1993. V. 204. P. 244-251

7. Poole D.M., Critcheley J.K., Davidson J.A.C., French P.M., Hodkin E.N., Notley M.J.F. Properties of some plutonium fuel // Plutonium 1960. (Mackenzie R.C., Ed.). London: CleverHume Press, 1961. p.627.

8. Aitkaliyeva A., Madden J.W., Miller B.D., Papesch C.A., Cole J.I. Characterization of phases formed between U-Pu-Mo fuels and Fe-12Cr cladding // Journal of Nuclear Materials Intermetallics, 2015. Vol. 464. – P. 28–35

9. Chakraborty S., Choudhuri G., Banerjee J., Agarwal R., Kumar A. Fuel clad chemical interaction of U-Mo fast reactor fuel // Journal of Nuclear Materials, 2019. V. 516. P. 1-10.

10. Nikitin S.N., Tarasov B.A., Shornikov D.P., Baranov V.G. Interaction UMo fuel with Fe and FeCr // IOP Conf. Series: Mater. Sci. and Eng., 2016. V. 130 (1). 012023

11. Adda Y., Philibert J. The Kirkendall effect and the determination of the coefficients of intrinsic and chemical diffusion in the uranium-molybdenum couple // Compt. Rend.. 1958. V. 246. 13 p.

12. Nikitin S.N.,Tarasov B.A., Shornikov D.P. Interaction between U-Mo alloys and alloys Al-Be // Physics Procedia, 2015. V. 72. P. 370 – 373.

13. Nikitin S.N., Tarasov B.A., Shornikov D.P. Baranov V.G. Development and investigation of properties of structural materials. based on aluminum-beryllium alloys for disperse nuclear fuel // Tsvetnye Metally, 2015. V. 8. P. 66 – 70

14. Kaity S., Kutty T.R.G., Agarwal R., Laik A. Kumar A. Chemical compatibility of uranium based metallic fuels with T91 cladding // Nuclear Engineering and Design, 2012. V. 250. P. 267– 276

15. Walter C.M., Kelman L.R. Penetration rate studies of stainless steel by molten uranium and uranium-fissium alloy // Journal of Nuclear Materials, 1962. V. 6. Iss.3. P. 281-290

16. Walter C.M., Kelman L.R. The interaction of iron with molten uranium // Journal of Nuclear Materials, 1966. V. 20. Iss. 3. P. 314-322

17. Баранов В.Г., Годин Ю.Г., Тенишев А.В., Хлунов А.В., Новиков В.В. Ядерные топливные материалы. Москва: МИФИ, 2021. Т 7. Изд. 3-е, перераб. 640 с.

18. Huang K., Park Y., Zhou L., Coffey K.R., Sohn Y.H., Sencer B.H., Kennedy J.R. Effects of Cr and Ni on interdiffusion and reaction between U and Fe–Cr–Ni alloys // Journal of Nuclear Materials, 2014. V.451. P. 372–378

19. Aitkaliyeva A., Madden J.W., Miller B.D., Papesch C.A., Cole J.I. TEM examination of phases formed between U–Pu–Zr fuel and Fe // Journal of Nuclear Materials, 2015. V. 467. (2). P. 717-723

20. Kim J.H., Cheon J.S., Lee B.O., Kim J.H., Kim H., Yoo B., Jung Y.H., Ahn S.B., Lee C. Results of High-Temperature Heating Test for Irradiated U-10Zr(-5Ce) with T92 Cladding Fuel //Metals, 2016. V. 6. Iss.11. 278. doi: 10.3390/met6110278

21. Ohtsuka S., Kaito T., Ukai S., Inoue M., Okuda T., Kimura A. High temperature reaction tests between high-Cr ODS ferritic steels and U–Zr metallic fuel // Journal of Nuclear Materials, 2013. V. 441. P. 286–292.

22. Ogata T., Kurata M., Nakamura K., Akabori M., Itoh A. Reactions between U–Zr alloys and Fe at 923 K // Journal of Nuclear Materials, 1997. V. 250. P. 171-175.

23. Ogata T., Nakamura K., Itoh A., Akabori M. Reactions between U–Zr alloys and Fe at 1003 K // Journal of Nuclear Materials, 2013. V. 441. (1–3). P. 579-582.

24. Nakamura K., Kurata M., Ogata T., Itoh A., Akabori M. Reaction of U-Zr alloy with Fe and Fe-Cr // Journal of Nuclear Materials, 1999. V. 275. P. 246-254.

25. Nakamura K., Ogata T., Kurata M., Yokoo T., Mignanelli M.A. Reactions of uranium-plutonium alloys with iron // Journal of Nuclear Science and Technology, 2001. V. 38. № 2. P. 112-119 .