Металлическое и керамическое урановое топливо. Дисперсные топливные элементы. Плутониевое топливо, страница 3

Хотя распухание топливных таблеток можно снизить, увеличивая пористость топлива, чрезмерно большая пористость может вызвать яв­ление, называемое уплотнением топлива, которое наблюдалось в некото­рых реакторах на первой стадии их развития. В 1972 г. это явление впер­вые наблюдали на PWR Ginna. В топливе с относительно небольшой пер­воначальной плотностью в некотором диапазоне температур распухание, вызванное газообразными продуктами деления, может оказаться боль­шим, чем его усадка при спекании таблеток. Если возникнет контакт между материалом топливной таблетки и оболочкой, то таблетки, рас­положенные ниже этой точки, могут сползти вниз, что в свою очередь приведет к образованию зазора между таблетками. Под действием теп­лоносителя с высоким давлением оболочка может вдавиться в этот зазор, в результате чего произойдет разрушение твэла в этом месте. Сей­час это явление больше не представляет серьезной проблемы для PWR, поскольку опыт показал, что его можно полностью исключить, если предусмотреть в твэле более высокое давление гелия или изготавливать топливные таблетки с более высокой плотностью (более полное спека­ние при изготовлении).

Вы­сокая стоимость изготовления твэлов, обусловленная жесткими допусками и тщательным конт­ролем качества изготовления дает заметный вклад в полную стоимость энергии, вырабатываемой реактором. Это определило разработку более простых процессов изготов­ления твэлов, например отказ от изготовления таблеток и замена их виброуплотненным топливом. Такое топливо в виде порошка UО2 засы­пается в оболочку, установленную на вибростенде. Под действием вибра­ции топливо уплотняется и заполняет весь объем твэла.

Карбид­ное  топливо

Кроме двуокиси урана, большой интерес представляет еще одно ке­рамическое топливо — карбид урана, обладающий более высокой тепло­проводностью и большей плотностью. Для реакторов типа LWR карбид­ное топливо не используют, так как это топливо будет активно реагиро­вать с водой, если вода попадет внутрь твэла. Карбидное топливо можно использовать в реакторе на быстрых нейтронах, поскольку его высокая теплопроводность позволяет изготавливать твэлы большего диаметра. Кроме того, карбидное топливо лучше двуокисного топлива удерживает газообразные продукты деления, что позволяет уменьшить толщину обо­лочки твэла.

Возможность использовать UО2 в качестве топлива для реакторов на тепловых и на быстрых нейтронах подтверждена на практике. При тща­тельном контроле за качеством изготовления вероятность разрушения твэлов может быть достаточно низкой (не выше 10-4 ). Некоторые проб­лемы, которые возникают при использовании этого топлива, такие как уплотнение твэлов и повреждение их при контакте таблеток с оболочкой, решаются подбором необходимой начальной плотности топлива и созда­нием в твэле необходимого давления гелия, а также ограничением ско­рости увеличения мощности. Альтернативные топлива, такие как карбид или нитрид урана, значительно хуже исследованы, но их характеристики позволяют ожидать определенных преимуществ при их использовании в реакторах на быстрых нейтронах.

12.4.3  Дисперсные топливные элементы

Под дисперсными топливными элементами подразумеваются такие системы, в которых дискретные частицы делящегося материала распре­делены в металлической или керамической матрице. В такой матрице, сохраняющей прочность в течение всего периода облучения топлива, топливные частицы находятся на достаточно большом расстоянии друг от друга, так что зоны радиационных повреждений осколками деления не перекрываются. Наличие сплошной области неповрежденного мате­риала матрицы обеспечивает хорошее удержание продуктов деления и препятствует распуханию при накоплении газообразных продуктов деления. Еще одним преимуществом таких топливных элементов является то обстоятельство, что при выборе в качестве матрицы материала с высокой теплопроводностью можно поддерживать достаточно низкую рабочую температуру топлива.