Топливные материалы. Требования, предъявляемые к топливным материалам

Топливо в тепловыделяющих элементах ядерного реактора используется в трех видах:

- металлическое (уран и его сплавы) и интерметаллидное;

- керамическое (оксиды, карбиды, нитриды урана);

- дисперсное (смешанное).

 

Металлическое топливо является наилучшим с точки зрения нейтронно-физических характеристик. При его использовании концентрация делящихся ядер в единице объема максимальна, а потери нейтронов в неделящихся материалах минимальны. Уран – светлый, мягкий металл с плотностью r = 18,9 г/см³. Легко окисляется на воздухе. Окислая пленка при температуре 20⁰С защищает его от дальнейшей коррозии. При температуре 660⁰С резко ухудшаются механические свойства урана, кроме того, в условиях нейтронного излучения происходит радиационное повреждение топлива (распухание и радиационный рост), поэтому использование металлического урана ограничено температурой 600⁰С. Поэтому в металлическом уране достигается сравнительно невысокая глубина выгорания ~ 5 МВт×сут/кгU или 0,6%. Газовое распухание становится чрезмерным из-за выделения пузырьков продуктов деления при высоких температурах.

Введение в уран легирующих добавок из слабо поглощающих нейтроны металлов (Fe, Al, Si, Mg, Cr и др.) позволяет уменьшить размеры зерен и приводит к высокодисперсному распределению газовых продуктов деления и уменьшению распухания на несколько порядков по сравнению с чистым ураном.

Введение добавок ухудшает нейтронный баланс, что особенно не благоприятно для реакторов на тепловых нейтронах.

Таким образом, для энергетических реакторов на тепловых нейтронах металлическое топливо обычно применяютв реакторных системах с малым запасом реактивности на выгорание и умеренными температурами для материалов оболочек твэлов, которые допускают малое поглощение нейтронов.

В быстрых реакторах допустимо высокое содержание легирующих добавок. Сечение поглощения и рассеяния в этих областях энергий мало. Это позволяет достичь значительного выгорания топлива и коэффициента воспроизводства.

 

Керамическое топливо – соединения урана, плутония или тория с кислородом (UO₂) – оксиды, с углеродом – карбиды, с азотом – нитриды.

Эти соединения имеют высокие температуры плавления, высокую плотность, радиационную стойкость, низкое сечение захвата нейтронов.

Наибольшее распространение получила двуокись урана UO₂ с массовым содержанием урана 88%. Преимущественное использование этого вида топлива объясняется

- высокой температурой плавления (t_пл=2880⁰С);

- химической инертностью;

- высокой радиационной стойкостью;

- совместимостью с большинством конструкционных материалов твэлов и теплоностелем.

Теоретическая плотность UO₂ 10,97×10³ кг/м³. В компактных изделиях плотность UO₂ составляет 10,0×10³ кг/м³. Чрезвычайно низкая теплопроводность UO₂ с ростом температуры уменьшается еще больше.

При снижении плотности теплопроводность падает. Однако при работе в реакторе под воздействием высокой температуры и температурного перепада структура материала меняется и теплопроводность почти не зависит от способа уплотнения (спеканием или уплотнением порошка UO₂).

Теплоемкость UO₂ в зависимости от тепмературы лежит в пределах 0,245 – 0, 350 кДж/(кг×⁰С).

На воздухе спеченная UO₂ при комнатной температуре практически не окисляется. С повышением температуры скорость окисления возрастает, достигая максимума при температуре 500-700⁰С, а затем вновь уменьшается.

Порошок UO₂ окисляется на воздухе даже при комнатной температуре.

С жидкометаллическими теплоносителями UO₂ совместима до температуры 600⁰С. Водород не взаимодействует с ней до температуры плавления.

UO₂ совместима с основными конструкционными материалами при рабочей температуре.

Газообразные продукты деления частично удерживаются в кристаллической решетке, а частично выделяются из нее. Газовыделение зависит от стехиометричности, плотности, выгорания и - очень существенно! – от температуры. До 1650⁰С выделяется небольшой процент образовавшихся газов, а при дальнейшем повышении температуры газовыделение резко возрастает.

В UO₂ происходит также накопление газообразных и твердых продуктов деления в решетке, что приводит к некоторому ее распуханию. Под облучением изменяются свойства UO₂: теплопроводность по мере выгорания топлива сначала падает, а затем остается на постоянном уровне (снижение теплопроводности может достигать 40¸50%), уменьшается температура плавления до 2600⁰С при достижении выгорания более 50 МВт×сут/тU.

 

Двуокись тория ThO₂ и двуокись плутония PuO₂ рассматриваются как перспективный воспроизводящий материал и топливо для быстрых реакторов. Их характеристики во многом сходны с UO₂:

- ThO₂ имеет практическую плотность 9,5¸9,7×10³ кг/м³; температура плавления 3300⁰С; теплопроводность при высоких температурах такая же, как и у UO₂;

- PuO₂ имеет практическую плотность 11,2×10³ кг/м³; температура плавления 2400⁰С; теплопроводность PuO₂ ниже, чем у UO₂, коэффициент теплоемкости известен только при низких температурах.

 

Неокисные соединения урана, тория и плутония

Наибольшее значение из неокисных соединений в настоящее время имеют карбиды. Наиболее перспективен монокарбид урана UC. Массовое содержание урана в нем 95,2%; по сравнению с UO₂ имеет более высокую теплопроводность. Теплопроводность UC близка к теплопроводности урана; плотность – 13,6×10³ кг/м³; температура плавления находится в пределах 2430-2470⁰С.

UC очень чувствителен к влаге и уже при комнатной температуре окисляется кислородом и водяным паром воздуха. В воде быстро разрушается при 100⁰С. По отношению к жидкометаллическим теплоносителям инертен, со многими конструкционными материалами UC совместим до температуры 900⁰С. Карбидное топливо рассматривается как топливо для высокотемпературных реакторов. Глубина выгорания может достигать 18%.

 

Дисперсное топливо представляет собой гетерогенную смесь, в которой топливная фаза дисперсионно распределена в нетопливном матричном материале. При этом каждая частица ядерного топлива является как бы микротвэлом, заключенным в оболочку, роль которой выполняет матрица.

Применяют металлические матрицы на основе нержавеющей стали, алюминия, бериллия, магния, цинка, ниобия, графита. В качестве топлива используются UO₂,UС, нитриды урана, металлический уран, плутоний, торий и их сплавы.

Преимущества:

- повышенная радиационная стойкость в условиях длительной эксплуатации в реакторе. Продукты деления локализуются в диспергированной топливной части или около них;

- высокая теплопроводность (несколько десятков Вт/мк);

- технологичность материала матрицы. Это позволяет изготавливать твэлы самой разнообразной конструкции: в виде лент, пластин, колец и т.д.;

- возможность достижения больших выгораний (50¸60%);

- возможность достижения высоких тепловых потокой (несколько МВт с поверхности твэла).

Недостатки:

- необходимость высокого обогащения топлива, чтобы скомпенсировать захват нейтронов в разбавителе и объем, занятый им.

 

Варианты топлива

- дисперсная система 30% UO₂ в матрице из нержавеющей стали; глубина выгорания 15%, температура сердечника 1150⁰К;

- 24% карбидами и нитридами в матрице из нержавеющей стали.