۲kgf/cm 30 – ۲۰ پر می شود. انتخاب هلیوم در واقع به خاطر ویژگی قابلیت هدایت گرمایی بالای آن می‏باشد . فشاری که توسط هلیوم از درون میله سوخت به سطح داخلی غلاف اعمال می شود مقاومت میله سوخت را در برابر فشار خنک کننده که در اطراف میله سوخت در جریان بوده و بر میله سوخت وارد می‏گردد ، افزایش می دهد. [۱۱]
انتقال حرارت در فضای خالی بین سوخت و غلاف
در انواع راکتورها که قرص های سوخت سرامیک با غلاف فلزی پوشیده شده اند فاصله یا شکاف کوچکی با ضخامت چند هزارم سانتی متر وجود خواهد داشت که معمولا با گاز بی اثری نظیر هلیوم پر می شود. اگرچه ضخامت فضای بین قرص های سوخت و غلاف خیلی کم می باشد ، به دلیل قابلیت هدایت گرمایی پایین گازها افت دمایی نسبتا زیادی در شکاف خواهیم داشت. اگر گاز داخل شکاف را یکنواخت فرض کنیم ، می توانیم به سادگی هدایت گرمایی را برای گاز داخل شکافت حل کنیم و افت دمایی را بدست بیاوریم.[۱۰]
از آنجایی که هیچ تولید گرمایی در شکاف نداریم ، خواهیم داشت :
( ۱-۲ )

اگر قابلیت هدایت گرمایی گاز KG ، را ثابت در نظر بگیریم و نیز با توجه به این که تمام گرمای تولید شده در سوخت باید از شکافت رد شود می توانیم بنویسیم :
(۲-۲)
سپس با انتگرال گرفتن از معادله فوق می توانیم افت دمایی در شکاف را بدست آوریم : (۲-۳)
بعد از یک دوره بهره برداری ، شکاف دارای ترکیبی از گاز اصلی ( مثلا هلیوم ) و گازهای حاصل از شکافت هسته ای مثل Kr و Xe خواهد بود از این رو قابلیت هدایت گرمایی KG در حین عمر قلب تغییر خواهد کرد . بنابراین در چگالی قدرت خطی W/m500 ، ضخامت شکافت cm005/0= tG ، باعث افزایش اختلاف دمای به اندازهC 0 300 یا بیشتر در دو طرف شکاف خواهد شد.همچنین یک اثر خیلی مشهود در سوختن وجود دارد . همین طور که شکافت در سوخت رخ می دهد قرص های سوخت نیز متورم و شکافته خواهند شد و در عمل در مکان های بسیاری با غلاف تماس پیدا خواهند کرد. چنین پدیده ای برای بحث از لحاظ تحلیلی خیلی مشکل است و از این رو معمولا ضریب موثر انتقال گرمای شکاف hG را تعریف می کنند بطوریکه افت دمای شکاف برابر است با :
(۲-۴)
ضریب تجربی hG تابعی از میانگین ضخامت شکافت ، قابلیت هدایت گرمایی گاز ، فشار تماس سطحی بین قرص سوخت و غلاف ، زبری سطح ، جنس ماده غلاف و البته سوختن سوخت خواهد بود . معمولا” بسته به نوع ماده ، پرتودهی سوخت ، فشار تماسی بین غلاف و قرص ، بین ۵/۰ تا w/ cm . K 1/1متغیر می باشد. اگر بپذیریم که شارگرما درشکافت درحالت پایدار برابر با گرمای تولید شده درسوخت ، تقسیم بر مساحت سطح جانبی سوخت است،پس می توان افت دما در شکافت را به صورت زیر محاسبه کنیم : (۲-۵) (۲-۶)
برای چگالی قدرت خطی W/m500 این اختلاف دما می تواند از ۱۴۰ تا C 0 200 باشد ، بسته به این که hG چه مقداری انتخاب می کنیم.[۱۰]
غلاف
اگر فرض کنیم قابلیت هدایت گرمایی غلاف KC ثابت است و هیچ تولید گرمایی در غلاف وجود ندارد ، می توانیم با حل معادله زیر افت دمایی در غلاف را بدست آوریم :
(۲-۷)
(۲-۸)

که TS دمای سطح بیرونی غلاف و TC ضخامت غلاف است. ( ضخامت شکاف را در این محاسبه نادیده گرفته ایم ) . در عمل ضخامت غلاف tc در مقایسه با قطر میله سوخت خیلی کم است از این رو با توجه به بسط لگاریتم خواهیم داشت :
(۲-۹)

جنس غلاف معمولا هدایت گرمایی زیادی دارند در واقع با توجه به ضخامت کم غلاف و جنس آن برای مثلا چگالی خطی W / m500 و ضخامت غلاف cm 053/0 = tc افت دمایی در حدود C 0 78 خواهیم داشت.[۱۰]
مواد مورد استفاده در راکتور و غلاف راکتور
خواص فیزیکی مواد ، اهمیت ویژه ای در کاربرد آنها در راکتورهای هسته ای دارد . خواصی چون استحکام سختی، قابلیت کشش ، نقطه ذوب ، نقطه جوش ، چگالی و رسانندگی گرمایی همه موارد آشنایی هستند که مهندسان به هنگام انتخاب مواد برای کاربردهای خاص به آنها توجه می کنند.
سطح مقطع نوترون که در انتخاب اغلب مواد مورد استفاده در قلب راکتور نقش اساسی دارد ( پیش از اختراع راکتورها ) چندان شناخته شده نبود . بیشتر اجزای یک راکتور تحت دماها و تنشهای بالایی قرار می‏گیرند و رفتار آنها را تحت چنین شرایطی باید مورد بررسی قرار داد. همچنین لازم است که همه واکنشهای شیمیایی ممکن بین مواد به کار رفته در یک راکتور را بشناسیم.[۹]
معیارهای چندی را به منظور مقایسه و انتخاب مواد راکتور می توان بر شمرد. از جمله :
۱-خواص مکانیکی خوب شامل رسانندگی گرمایی ، گرمای ویژه ، چگالی، استحکام ، نرمی ، نقطه ذوب یا نقطه جوش بالا و ضریب انبساط پایین.
۲– سطح مقطع جذب پایین نوترون برای همه مواد درون قلب جز سوخت و میله های کنترل و سموم قابل سوخت , در صورت استفاده از آنها.
۳- پایداری شیمیایی همه مواد در دماها و فشارهای راکتور . عدم وجود خطر اکسید شدن ، تجزیه ، انفجار یا واکنشهای شیمیایی دیگر.
۴- عدم وجود تغییر فازهای متالوژیکی در دماهای عملیاتی که ممکن است منجر به تغییرات ابعادی شوند.
۵- مقاوت در برابر آسیب ناشی از تابش در طول عمر مواد درون راکتور.
۶- دسترس پذیری آسان و ارزان نوع خالص ، سادگی ساخت و سمی نبودن مواد انتخابی.
مواد مناسب برای غلاف در راکتور
مواد مناسب برای غلاف سوخت باید دارای:
۱- سطح مقطع جذب نوترون خیلی پایین.
۲- رسانندگی گرمایی بالا.
۳- استحکام خوب در دماهای بالا برای مقاومت در مقابل تنش حرارتی تغییر شکل سوخت و فشار ناشی از انباشت پاره های گازی شکافت در داخل غلاف باشند.
علاوه بر این مواد یاد شده باید سخت بوده و دستخوش خوردگی یا واکشنهای شیمیایی دیگر با سوخت یا خنک کننده نشوند.
فلزهای زیر و آلیاژهای آنها برخی ، اگر نه همه ی آنها ، شرایط بالا را دارند و برای غلاف سوخت در نظر گرفته شده اند :
* آلومینیوم ، بریلیم ، منیزیم ، زیرکونیم و فولاد زنگ نزن.
بریلیم ماده خوبی برای کاربرد در راکتور نیست ، و برای غلاف نیز منظور نمی شود . زیرا بریلیم و تمام ترکیباتش سمی هستند.
آلومینیم به عنوان غلاف در راکتورهای پژوهشی توان-پایین که در آنها دما بندرت از حدود C 0 100 تجاوز می کند به کار رفته است.
سطح مقطع جذب آن نسبتاً پایین barns 23/۰ اما خواص مکانیکی آن مانند استحکام و سختی خیلی پایین است و در وضعیتهای تنش بالا یا دماهای بیش ازC 0 300  نمی توان از آن به عنوان غلاف استفاده کرد . بنابراین آلومینیوم را نمی توان به عنوان غلاف در نیروگاههای هسته ای به کار برد. منیزیم دارای سطح مقطع جذب خیلی پایینی barns ۶۳۰/۰ است اما مثل آلومینیم فلز نرم بدون استحکامی ، بادمای کار حداکثر C 0 45 است.
منیزیم از نظر شیمیایی هم خیلی فعال است ، و به سادگی در هوا اکسید می شود . خواص منیزیم ، بخصوص اکسید شدن آن را می توان با افزودن مقدار کمی ( کمتر از ۱ درصد ) آلومینیم و بریلیم به آن بهبود بخشید. آلیاژی که به این ترتیب ایجاد می شود به میزان زیادی به صورت غلاف در راکتورهای گازی بریتانیا به کار رفته است . زیرکونیم دارای سطح مقطع جذب پایین barns ۱۸۵/۰ ، نقطه ذوب بالا C 0 ۱۸۵۰ خواص مکانیکی خوب و مقاومت بالایی در برابر خوردگی در آب است.
این خواص ، زیرکونیم را به یک ماده عالی برای غلاف سوخت راکتورها تبدیل می کنند خواص مکانیکی زیرکونیم و مقاومت آن در برابر خوردگی را می توان با آلیاژ کردن آن با مقدار کمی قلع  ( ۵/۱درصد ) ، آهن ( ۱۵/۰تا ۲/۰ ) ، کرم ( ۱/۰ درصد ) و نیکل ( تا ۵/۰ درصد ) بهبود بخشید . این آلیاژها در حال حاضر بهترین مواد برای غلاف هستند.[۹]
در دماهای خیلی بالا ، فراتر از حدود ۱۰۰۰ درجه ، زیرکونیم و آلیاژهای زیرکالوی با بخار آب ترکیب شده تولید هیدروژن می کنند ، که خیلی خطرناک است. شرایطی که ممکن است منجر به این واکنش شوند می توانند ناشی از گرم شدن بیش از حد سوخت و غلاف به علت انتقال ناکافی گرمای حاصل از واپاشی فراورده های شکافت ، که خود زاییده تلف شدن خنک کننده راکتور در اثر یک حادثه است ، باشند . فولاد زنگ نزن از نظر خواصل مکانیکی عالی و مقاومت در برابر خوردگی ، مشهور است.
متاسفانه سطح مقطع جذب آن که به نوع فولاد و مقادیر دقیق کرم و نیکل موجود در آن بستگی دارد ، بالاتر از آن است که بتوان از آن به عنوان یک ماده ایده آل برای غلاف یا کاربردهای دیگر در قلب راکتور یاد کرد. از این ماده در حال حاضر به عنوان غلاف سوخت در راکتورهای آب تحت فشار استفاده نمی شود اما در راکتورگازی پیشرفته و در راکتورهای زاینده کاربرد دارد . فولاد زنگ نزن ، به علت مقاومت عالی در مقابل خوردگی ، کاربردهای وسیعی در راکتورهای FBR , PWR دارد.[۹]
تعریف حالات شکست میله سوخت و محاسبات شکست
درجه شکل گیری سوخت مصرفی می تواند در طی طراحی اصلی حادثه رخ دهد و بستگی به حالات ممکن شکست دارد. یک آنالیز مفصل شکست های سوخت تحت حوادث سنگین، توسط آزمایشگاه های ملی ساندیا ( SNL) به عنوان یک منبع مطالعه محسوب شده ، و سه حالت ممکن شکست را پیش بینی می‏کنند که در شکل ( ۲–۳ ) نشان داده شده است.
حالت اول شکست تحت تغییر شکل‏های خمشی آغاز شده و می تواند به طور موثری به حالت دوم شکست توسعه یابد. هر دوی این حالات ، هیدروکسیدهای شعاعی را در مقایسه با شکست نوع سوم در نطر نمی گیرند زیرا تاثیر هیدروکسیدهای شعاعی تمایل به غلبه بر شکست روکش فلزی در طی حادثه دارند برای تامین پیش بینی شکل گیری دوباره ی سوخت پتانسیلی ، سه محاسبه ی شکست نشان داده شده در شکل ( ۲-۳ ) ، به عنوان خواص تشکیل دهنده در مدل ماده نسبت به معیار شکست که به واکنش محاسبه شده در قبل اعمال می‏گردد ،

Leave a Comment