Глава 3. Материалы для ядерных реакторов.

КЛАССИФИКАЦИЯ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ

Так как топливо сосредоточено в твэлах, то они являются главны­ми элементами активной зоны ядерного реактора. Только зная типовую конструкцию твэлов, можно понять из каких материалов лучше всего их изготавливать.

3.1.Типовая конструкция твэлов

Основные конструкционные элементы типового твэла схематически изображены на рис. 3.1.

Комментарии к рис. 3.1.

1. Активный объем заполняется топливом с тем или иным обогащением по горючему (0.7-90%).

2. Экранирующий объем заполняется ураном-238 или отражателем.

3. Зазор заполняется газом или хорошо теплопроводящим материа­лом, чтобы обеспечить большие тепловые потоки.

4. Газовый объем предназначен для собирания газообразных оскол­ков деления и удержания давления в твэле в допустимых пределах (делается не всегда).

5. Если экран и топливо изготавливаются из коррозионно взаимо­действующих материалов, между ними ставят разделительные элементы.

6. Центральное отверстие служит для собирания газообразных осколков деления и компенсации возможного распухания топлива.

7. Дистанционируюшй элемент, предназначен для обеспечения требуемого проходного сечения между соседними твэлами.

8. Концевые детали служат для закрепления твэлов в ТВС.

ТИПЫ ТВЭЛОВ

1. Цилиндрический:

а) если он располагается в отдельном цилиндрическом канале, то это - стержневой твэл;

б) если собирается много твэлов в одном канале, то они называются прутковыми, а вся конструкция - ТВС.

2. Пластинчатый (рис. 3.2, а).

3. Кольцевой (рис. 312, б) - омывается теплоносителем с обеих сторон .

4. Трубчатый (рис. 3.2,в) - омывается теплоносителем только изнутри

5. Шаровой (рис. 3.2.г).

Описание материалов для ядерных реакторов целесообразно вести от энергообразующего места к периферии. При этом всегда будет обра­щаться внимание, как на достоинства материалов, так и на их недостат­ки. Так устроено природой, что в ней нет ничего идеального. Поэтому нет материалов, идеально подходящих во всех отношениях для ядерных реакторов.

3.2.Топливо

Топливо работает в жестких условиях облучения, высоких темпе­ратур, переменных давлений и тепловых напряжений из-за неравномерно­сти тепловых полей. Если не соблюдать условий нормальной работы, мо­гут появиться коррозия и эррозия. Поэтому твэлы работают в очень на­пряженных условиях и в процессе работы их механические свойства из­меняются. Так как топливо облучается, через некоторое время с ним уже нельзя работать в непосредственном контакте, т.е., если твэл почему-то перестал удовлетворять предъявляемым требованиям (напри­мер, оболочка потеряла герметичность), то его исправить невозможно.

Важным для конструкции твэлов эффектом в топливе является свеллинг (радиационное распухание). Вследствие выделения в топливе газо­образных продуктов деления, например, ксенона (см. рис. 1.3), оно распухает (меняет геометрию). В значительной мере этим эффектом определяется допустимое выгорание топлива.

При создании ядерных реакторов для определения, наиболее опти­мальной конструкции твэлов и подходящих материалов проводят много экспериментов, в результате анализа которых выбирают материалы и ре­жимы работы твэлов. С точки зрения проектанта (конструктора, расчет­чика) основными лимитирующими параметрами для топлива являются

1. допустимая максимальная температура топлива, 2) допустимое максимальное выгорание.

ЧИСТЫЙ МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ УРАН

С нейтронно-физической точки зрения наилучшим материалом, для топлива можно было бы считать чистый металлический уран без примеси ядер каких-либо других элементов. В этом случае необходимо считаться со свойствами (в том числе и отрицательными) только самого деляще­гося материала. Однако чистый металлический уран - очень нестойкий материал, т.к. склонен к формоизменению под воздействием высоких температур.

Максимальная температура, при которой он может еще рабо­тать без существенных формоизменения и распухания, 400°с. Например, при T=500°с распухание достигает 20%.

Предельное выгорание для этого топлива может быть не более 1% делящихся ядер.

Чистый металлический уран - коррозионно активный материал и взаимодействует почти со всеми материалами, используемыми в реакто­рах уже до 400°С.

По изложенным причинам чистый металлический уран может приме­няться в реакторах, где T_{горючего}< 300-400°с.

ЛЕГИРОВАННЫЙ МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ УРАН

Чтобы улучшить свойства металлического урана, его легируют обычно молибденом (до 10% молибдена). Чем больше молибдена, тем выше предельная температура (до 650-715°С) и предельное выгорание (до 2- 2.5%). Коррозионные свойства также улучшаются. Например, допустимая температура в контакте с нержавеющей сталью становится равной 550°С. Это положительные свойства.

Теперь о недостатке. Легирование урана приводит и к отрицатель­ным эффектам, т.к. на молибдене происходит паразитный захват нейтро­нов в тепловой области энергий и это ухудшает нейтронный баланс. В особенности в реакторах на тепловых нейтронах.

МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ПЛУТОНИЙ

Этот материал ведет себя в реакторе примерно так же, как и металлический уран. Кроме того, его предельные параметры еще ниже. Поэтому металлический плутоний тоже подвергают легированию.

ОКИСЛЫ УРАНА И ПЛУТОНИЯ

В ядерной энергетике практически используются двуокиси: UO₂ и PuO₂. Основные параметры этих материалов приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Материал	T^oC плавления	T^oC допустимая	Плотность Теоретич. г/см^3	Плотность Достиж. г/см^3	Теплопровод- ность кк/(м*час*^oC)
UO2	~2800	~2500	~11	~8-10	1.5-2
PuO2	~2200	~2000	-“-	-“-	-“-

Недостатки этих материалов в одних отношениях становятся их достоин­ствами в других отношениях. Например, относительно малые плотность и теплопроводность приводят к необходимости уменьшать размеры твэлов, чтобы избежать их пережога за счет превышения предельных температур в центре твэла. Однако "пористость" двуокисей и малые размеры твэлов позволяют достичь сравнительно высоких выгораний - до 10% и выше.

Малая плотность и наличие O₂ вредно для реакторов на быстрых нейтронах, т.к. смягчается спектр нейтронов и увеличивается размер активной зоны.

КАРБИДЫ U и Pu

Наиболее распространены монокарбиды UC и PuC. Плотность у них несколько выше, чем у двуокисей и составляет ~14 г/см³. Теплопровод­ность близка к теплопроводности металлического урана и составляет ~15-20 ккал/(м час °с), т.е. ~ в 10 раз выше, чем у UO₂. Температура плавления также высока (~2450°C), что позволяет эксплуатировать это топливо при температурах до ~2200°C.

Недостаток - смягчает спектр нейтронов в быстром реакторе из-за наличия ядер углерода.

ДИСПЕРСИОННОЕ ТОПЛИВО

Представляет собой гетерогенную смесь, в которой топливная фаза дисперсно (равномерно) распределена в нетопливном матричном материа­ле. При этом, каждая частица ядерного топлива является как бы микро-твэлом, заключенным в оболочку, роль которой выполняет матрица.

В качестве топливной фазы применяют металлические уран и плутоний, и их сплавы, а также различные соединения. В качестве матриц используются металлы, керамические материалы, графит.