Металлическое и керамическое урановое топливо. Дисперсные топливные элементы. Плутониевое топливо, страница 4

Дисперсные топливные элементы можно изготовить на основе метал­лического и керамического топлива и материалов матрицы.

Если керами­ческое топливо распределено в металлической матрице, то такая комби­нация называется керметом (или металлокерамическим топливом). В качестве топлива могут использоваться металлический уран, двуокись урана, карбид или нитрид урана, а в качестве материалов для матрицы применяется сталь, алюминий, циркалой и графит. Топливные и матрич­ные материалы смешивают в виде порошков, а затем подвергают холод­ному или горячему прессованию и спеканию. Типичные размеры частиц топлива и матрицы, из которых изготавливаются такие твэлы, составляют 30—300 мкм. Диспергированное топливо можно заключить в металлическую оболочку пластинчатого типа способом горячего прессования слоев топливнонесущего материала между листами чистого металла. Такого типа элементы применены в реакторе для испытаний материалов (MTR).

Диспергированное топливо на основе микротвэлов

Для того чтобы топливо могло работать при высоких рабочих температурах и высоких плотностях энерговыделения, характерных для HTGR, пришлось отказаться от металлических оболо­чек, используемых в первых газоохлаждаемых реакторах. Топливо для HTGR представляет собой небольшие сферические частицы (диаметром в несколько сотен микрометров), каждая из которых покрыта много­слойной оболочкой из материалов, непроницаемых для продуктов де­ления. Такие сферические частицы распределяются в графитовой матри­це, формирующей твэл. Покрытие каждой из сферических частиц защи­щает не только от утечки продуктов деления, но также предохраняет топливо от химического взаимодействия с примесями, содержащимися в гелиевом теплоносителе, в первую очередь с парами воды. Кроме того, эти покрытия защищают матрицу от радиационных повреждений оскол­ками деления.

На рис. 12.4.1 изображена структура типичной топливной частицы с по­крытием. Топливное "ядро" представляет собой сферу диаметром 100— 400 мкм, заполненную карбидом урана. Промежуточное покрытие обра зовано слоем пироуглерода, образованного осаждением продуктов раз­ложения углеводородных газов при высокой температуре. Этот внут­ренний слой поглощает вылетающие из топлива продукты деления. Он имеет относительно высокую пористость, что позволяет накапливать в пустотах газообразные продукты деления. Следующий слой образован карбидом кремния, который эффективно удерживает определенные щелочноземельные и редкоземельные продукты деления, легко диф­фундирующие через пироуглерод. Последний, наружный слой образо­ван высокоплотным пироуглеродом, непроницаемым для газообраз­ных продуктов деления.

Рис. 12.4.1 Топливная частица с покрытием. Ядро из карбида урана окружено после­довательно слоями пироуглерода, карбида кремния и высокоплотного пироуглерода

В первоначальной конструкции HTGR предусматривалась непрерыв­ная очистка газа, чтобы вывести выделяющиеся из твэлов продукты деления. Однако оказалось, что топливные частицы с многослойным покрытием обеспечивают настолько хорошее удержание продуктов де­ления, что необходимости в системе очистки газа в таких реакторах нет. Испытание топливных элементов в реакторах Dragon и Peach Botton продемонстрировало чрезвычайно низкий уровень активности в теплоносителе при длительных испытаниях и температуре топлива 1200 С. Даже в случае таких маловероятных событий, как попадание воздуха или паров воды в реактор, ведущее к сильному их взаимодей­ствию с графитовыми твэлами, тройное покрытие способно предотвра­тить высокую утечку продуктов деления.

Такие дисперсные твэлы с точ­ки зрения безопасности обладают еще одним преимуществом: частицы топлива могут выдержать значительное увеличение температуры в тече­ние нескольких суток, до того как они начнут разрушаться вследствие химического взаимодействия топливного ядра с материалами покрытий.