Металлическое и керамическое урановое топливо. Дисперсные топливные элементы. Плутониевое топливо

12.4  Производство топлива

12.4.1 Металлическое урановое топливо

В первом поколении ядерных реакторов в качестве топлива широко использовался уран в виде металлических стержней. Для реакторов на естественном уране с графитовым замедлителем использование метал­лического урана обусловлено необходимостью обеспечить максимально возможную плотность топлива и разместить его в твэлах с достаточно большим диаметром, чтобы снизить резонансный захват до уровня, обеспечивающего достижение критичности реактора. Уран только в метал­лической форме обладает достаточно высокой теплопроводностью, чтобы от твэлов нужного диаметра можно было отвести теплоту.

Металлический уран в твердом состоянии в зависимости от его тем­пературы может находиться в одной из трех фаз с различной кристалли­ческой структурой. В табл. 12.4.1 приведены эти структуры и соответствую­щие области температур.

Таблица 12.4.1Фазы  металлического урана

В случае чистого урана периодические изменения температуры могут привести к переходу одной фазы в другую, что вызовет сильную дефор­мацию металла. Эту деформацию можно предотвратить прочными внеш­ними ограничителями в виде толстых оболочек твэлов. Исключить де­формации, вызванные фазовыми переходами, можно легированием урана, предотвращающим фазовые переходы и позволяющим сохранить γ-фазу во всей рабочей области температур. Подходящими для легирова­ния элементами являются Mo, Ni, Ti и  Zr.

Для реакторов на естественном уране можно использовать металли­ческий уран только в α-фазе, поскольку введение толстых оболочек твэлов или добавление в уран легирующих присадок здесь недопустимо из-за недостаточного запаса реактивности. Высокая анизотропия ромби­ческой кристаллической решетки при периодических изменениях тем­пературы урана (термоциклирование) может привести к сильной его деформации, даже если рабочая область температур топлива не выходит за границу устойчивости α-фазы. Как показано в табл. 12.4.2, коэффициенты теплового расширения вдоль направлений а и с положительны и доста­точно велики, а вдоль направления bкоэффициент теплового расширения отрицателен.

Деформация при термоциклировании особенно заметна, когда кри­сталлическая структура содержит зерна, преимущественно ориентиро­ванные в направлении [010]. Такая ориентация типична для холодно обработанного урана. При нагреве урана до температуры 350 °С происходит релаксация напряжений главным образом за счет диффузии по гра­ницам зерен. При охлаждении этот процесс необратим из-за большой жесткости кристаллической решетки, а дальнейшая релаксация напряже­ний происходит в основном за счет двойникования кристаллов внутри зерен. В результате если зерна были первоначально преимущественно ориентированы в одном направлении, то термоциклирование приводит к удлинению материала в этом направлении и к соответствующей усад­ке в перпендикулярном направлении. Этот механизм называется анизот­ропным термическим ростом. Термический рост может быть предотвра­щен такой предварительной обработкой уранового стержня, которая обеспечила бы хаотичную ориентацию зерен в металле. Этого можно до­стигнуть, например, нагревая металл до области температур β-фазы и затем охлаждая его до температуры α-фазы. При  хаотической ориента­ции зерен их рост проявляется, прежде всего, в огрублении поверхно­сти, которое может быть уменьшено использованием мелкозернистого материала.

12.4.2  Керамическое урановое топливо

В энергетических реакторах в качестве топлива обычно используется не металлический уран, а его соединения, образующие керамику, в част­ности двуокись урана.

UO₂     Среди преимуществ UО₂ можно назвать его жаро­прочность, позволяющую работать при высоких температурах топлива (точка плавления Т_пл = 2750 °С по сравнению с 1130 °С у чистого металлического урана), отсутствие фазовых переходов, большую стой­кость к облучению нейтронами, позволяющую достигнуть большей глу­бины выгорания, и химическую совместимость с обычными теплоноси­телями, в частности с водой, в случае разгерметизации твэла. К недо­статкам UО₂ следует отнести более низкую плотность (10,5 г/см³ по сравнению с 19,0 г/см³ для металлического урана) и более низкую теплопроводность, что накладывает ограничения на толщину твэлов для исключения расплавления топлива в их центральной области.  Теплопроводность окисного топлива заметно меняется при измене­нии его пористости и значительно уменьшается при увеличении темпе­ратуры.