ГЛАВА 3. Компоненты активных зон реакторов
Топливные материалы и композиции
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
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 20°С защищает его от дальнейшей коррозии. При температуре 660°С резко ухудшаются механические свойства урана, поэтому его использование ограничено температурой 600оС. Кроме того, в условиях нейтронного излучения происходит радиационное повреждение топлива (распухание и радиационный рост). Газовое распухание становится чрезмерным из-за выделения пузырьков продуктов деления при высоких температурах. В металлическом уране достигается сравнительно невысокая глубина выгорания ~ 5 МВт×сут/кгU или 0,6%.
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 применяют в 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.