Керамическое ядерное топливо

В настоящее время в большинстве энергетических реакторов применяется керамическое топливо на основе диоксида урана U02, которое впервые было получено в 1950 г. Это вещество обладает высокой жаропрочностью, позволяющей работать при больших температурах ядерного топлива (/Г1Л = 28 500 С), химически устойчиво к воде и пару, совместимо с различными материалами оболочек тепловыделяющих элементов (твэлов), не имеет фазовых переходов, имеет высокую стойкость к облучению нейтронами, что позволяет достигать большой глубины выгорания (50 000 М Вт сут/т — для реакторов на тепловых нейтронах, до 100 000 М Вт-сут/т — для реакторов на быстрых нейтронах). Диоксид урана хорошо удерживает продукты деления.

К недостаткам U0₂ следует отнести более низкую плотность (10,5 г/см³ по сравнению с 19 г/см³ для металлического урана) и плохую теплопроводность, что накладывает ограничение на толщину твэлов для исключения их расплавления в центральной части. Диоксид урана используют в виде таблеток, которые получают методом холодного прессования и спекания. Эго позволяет получить максимально возможную плотность топлива (до 97% от теоретического значения, равного 10,97 г/см³), необходимую для увеличения содержания урана в твэле и для лучшего удержания продуктов деления.

К керамическому топливу относятся также карбидные соединения урана UC, UC₂, Возможность применения карбидов в качестве топлива для реакторов интенсивно изучалась в 1960—1970;е годы. В последнее время к данному виду топлива снова возник интерес, связанный с разработками пластинчатых твэлов и микротвэлов. Карбиды урана обладают более высокой теплопроводностью и плотностью, чем диоксид урана, высокой температурой плавления, химической и термической стабильностью, а также совместимостью с керамическими покрытиями, что особенно важно для микротвэлов. Кроме того, карбид урана лучше диоксида урана удерживает газообразные продукты деления, что позволяет уменьшить толщину оболочки твэла. Карбид урана можно использовать в перспективных типах реакторов, в частности реакторах на быстрых нейтронах с газовым охлаждением, поскольку его высокая теплопроводность позволяет изготавливать твэлы большего диаметра. Однако в настоящее время карбид урана значительно хуже исследован, чем диоксид урана.

Металлический уран в качестве топлива широко применялся в начальный период развития ядерных реакторов. В 1954 г. Первая АЭС начала работать именно на металлическом топливе, произведенном по следующей технологии: из обогащенного урана был изготовлен уран-молибденовый сплав; затем этот сплав измельчили, полученную крупку засыпали в трубки из нержавеющей стали и залили расплавленным магнием.

К несомненным достоинствам металлического урана относится высокая теплопроводность и возможность создания максимальной концентрации делящихся ядер. Недостатками его являются худшие по сравнению с диоксидом радиационная, химическая стойкость и жаропрочность.

Металлический уран в зависимости от его температуры может находиться в одной из трех фаз с различной кристаллической структурой. Периодическое изменение температуры может привести к переходу одной фазы в другую, что вызовет сильную деформацию урана. Для исключения деформации, вызванной фазовыми переходами, уран легируют молибденом, ниобием, титаном и т. д.

При длительном облучении при температурах 200—500 °С металлический уран подвержен радиационному росту, который заключается в значительном изменении облученного уранового стержня. Кроме того, металлический уран подвержен также радиационному распуханию, заключающемуся в увеличении объема топлива из-за накопления продуктов деления.

По этим причинам максимальная глубина выгорания металлического урана составляет 5000—5500 МВтсут/т (~5—6 кг/т). В настоящее время он используется только в некоторых типах исследовательских реакторов.