Металлическое и керамическое урановое топливо. Дисперсные топливные элементы. Плутониевое топливо, страница 2

Диоксид урана обычно получают в виде порошка осаждением урана из раствора уранилнитрата алюминием или перекисью водорода. Такая процедура приводит к осаждению диураната или перекиси урана, которые затем разлагаются нагреванием до UО₃. Последующий нагрев в атмосфе­ре водорода восстанавливает UO₃ до UО₂  в порошкообразном виде.

В ядерных реакторах топливо обычно используется в виде таблеток, которые изготавливаются методом холодного прессования и спекания. Таким способом можно получить плотность UО₂, достигающую 95% теоретического значения, равного 10,97 г/см³. Максимальная плот­ность желательна здесь как для увеличения содержания урана в твэле, так и для лучшего удержания продуктов деления. Из-за низкой теплопроводности температурные градиенты в топ­ливной таблетке очень велики, в результате таблетки могут растрески­ваться вследствие высоких термических напряжений. Возникновение трещин облегчает радиальные перемещения топлива и продуктов деле­ния. Растрескивание и образование полостей в топливе из-за радиационных дефектов кристаллической решетки и накопления газообразных про­дуктов деления приводит к постепенному уменьшению теплопроводности, которая  в конечном счете может снизиться более чем на порядок.

Таблетки укладывают столбцом внутри тонкостенных чехлов из под­ходящих материалов, таких как цирконий или нержавеющая сталь. Топ­ливные стержни (твэлы) затем собираются в кассеты. Твэлы заполняются гелием, чтобы увеличить теплопередачу между таблетками и оболочкой. Твэлы в кассете удерживаются решетками, расставлен­ными с некоторыми интервалами по их длине. Такая конструкция до­пускает  определенную   гибкость   системы,  обеспечивая  компенсацию изменения размеров и позво­ляя теплоносителю свободно цир­кулировать вдоль твэлов.

Если плотность порошка достаточно высока, то миграция пор к центру может привести к образованию в центре полости. Поэтому в твэлах с вы­сокой глубиной выгорания, в частности в твэлах для реакторов на быст­рых нейтронах, над топливным стержнем внутри твэла должен быть предусмотрен дополнительный объем, чтобы выделение газов непри­вело к недопустимо высокому давлению. Распухание топлива при накоплении продуктов деления может при­вести к недопустимо высоким напряжениям в оболочках твэлов. Возник­новение таких напряжений наиболее сильно проявляется в высоконапря­женных реакторах на быстрых нейтронах, имеющих высокую глубину выгорания. Однако локальные напряжения в оболочках твэлов могут возникать и при малых глубинах выгорания, например, в легководных реакторах из-за смещения отдельных кусков растрескавшегося топлива и давления их на оболочку твэла. Как уже упоминалось выше, между топливом и оболочкой обычно предусматриваются зазоры, заполненные гелием. Эти зазоры позволяют топливу свободно расширяться, и тем самым предотвращается его прямое воздействие на оболочку. Для того чтобы обеспечить свободный выход продуктов деления из топлива, можно делать топливные таблетки с кольцевыми зазорами или изготавливать их с более высокой пористостью. Обычно таблетки на концах делают "тарельчатой" формы, чтобы неоднородность распухания, вызванная большим температурным градиентом, не приводила к деформации твэла. Для большей надежности в твэлах современных реакторов типа PWR создают предварительно высокое давление, чтобы снизить разность дав­лений между теплоносителем и внутренней полостью твэлов. Эта мера противодействует деформации циркониевых оболочек твэлов, которая может привести к их контакту с топливом.

Если большая глубина выгорания приведет к прямому контакту топ­лива с оболочкой твэла, то при быстром увеличении мощности реактора в оболочке могут возникнуть высокие напряжения и возможно ее раз­рушение. Это действительно наблюдалось в некоторых случаях в реакто­рах PWR в середине 70-х годов. Чтобы его избежать, сейчас установлены ограничения не выше 3 %/ч на скорость разгона реактора после его оста­новки для перегрузки топлива. Опыт последних нескольких лет показы­вает, что такое ограничение скорости разгона практически исключает возможность разрушения оболочек твэлов, связанного с воздействием топлива на оболочку при их прямом контакте.