Металлическое и керамическое урановое топливо. Дисперсные топливные элементы. Плутониевое топливо, страница 5

Топливные элементы высокотемпературного газоохлаждаемого реак­тора Fort St. Vrain рассчитаны на среднюю глубину выгорания около 100000 МВт^..сут/т, что соответствует примерно 10% делений на перво­начально загруженный делящийся атом. Длительность кампании этого реактора - 6 лет при ежегодной перегрузке 1/6 части полной загрузки. Поскольку замедлитель в HTGR входит составной частью в твэлы, то регулярная замена последних исключает накопление радиационных по­вреждений в графите.

12.4.4Плутониевое топливо

Легководный реактор вырабатывает около 250 г плутония в год на каждый мегаватт электрической мощности. Хотя наиболее эффективно плутоний будет использоваться в реакторах на быстрых нейтронах, количество плутония, накапливаемое в современных реакторах на тепловых нейтронах, таково, что, по крайней мере, в некоторых стра­нах рассматривается возможность выделения плутония из отработанного уранового топлива и использования его как топлива для реакторов на тепловых нейтронах. Такое рециклирование плутония в реакторах на тепловых нейтронах как альтернатива использования обогащенного урана представляет интерес, прежде всего для стран, не имеющих собст­венных обогатительных заводов и желающих быть независимыми от им­порта   обогащенного   топлива.  Стратегия  использования накопленного плутония в значительной степени зависит от того, когда начнется строи­тельство реакторов на быстрых нейтронах. Если внедрение таких реакто­ров начнется в ближайшие годы, то необходимо сохранить запасы плу­тония, чтобы его хватило для снабжения вводимых в строй промыш­ленных реакторов-размножителей. Однако если ввод в строй этих реак­торов задержится, то может оказаться экономически выгодным исполь­зовать некоторую часть плутониевых запасов в реакторах на тепловых нейтронах. В какой степени окажется выгодной такая стратегия, зависит от стоимости строительства перерабатывающих заводов для производства плутониевых твэлов.

Топливная загрузка реакторов, работающих в режиме рециклирования плутония, будет содержать обычные твэлы с оксидом обогащенного урана и твэлы, содержащие смесь оксидов плутония и урана. Если вто­ричное топливо использовать в тех же самых реакторах, в которых оно производится, то плутониевые твэлы составят только 1/3 полной за­грузки. Однако может оказаться выгодным полностью загружать актив­ную зону только плутониевыми твэлами, поскольку в этом случае решет­ка активной зоны может быть сконструирована так, чтобы оптимально использовать ядерные характеристики плутония.

Ниже перечислены наи­более важные отличия уранового и плутониевого топлива.

1.  Энергия, выделяемая при делении ядра ²³⁹ Рu тепловыми нейтрона­ми, на 4% больше, чем при делении ²³⁵U. Однако поскольку отношение сечений захвата и деления для ²³⁹ Рu составляет 0,36, а для ²³⁵U только 0,17, то энергия, выделяемая единицей массы сгоревшего топлива, у ²³⁹Ри на 11% меньше.

2.  Сечения захвата и деления ²³⁹Рu и ²⁴¹ Рu, а также сечение захвата ²⁴⁰ Рu в тепловой области энергий нейтронов значительно выше, чем для ²³⁵U (рис.12.4.2). Это связано с большими резонансами в области 0,3 эВ у ²³⁹ Рu и ²⁴¹ Рu и около 1,0 эВ у ²⁴⁰Рu. Отношения сечений захвата и деления для этих элементов также сильно отличаются. Из-за резонан­сной структуры сечений чувствительность реактора с плутониевым топли­вом к деформации спектра тепловых нейтронов оказывается намного сильнее, чем у реакторов с урановым топливом.

3.  Сечения поглощения ²³⁹ Рu и ²⁴¹ Рu значительно больше, чем у ²³⁵U. Следовательно, плутоний в области тепловых энергий нейтронов более успешно конкурирует с другими поглотителями нейтронов в активной зоне, чем ²³⁵U. Это приводит к уменьшению «веса»[1] стержней регулирования в активной зоне с плутониевым топливом и, следовательно, к увеличению необходимого числа стержней регулиро­вания. В реакторе с кипящей водой, в активной зоне которого распо­ложены плутониевые и урановые твэлы, последние могут быть расположены таким образом, чтобы по возможности свести к минимуму уменьшение веса стержней регулирования из-за высокого ло­кального поглощения нейтронов плутонием.