11

Лекция 18. Уран-гадолиниевое оксидное топливо.

18.1. Топлива с интегральным выгорающим поглотителем.

Повышение технико-экономических показателей атомных электростанций в значительной степени связано с увеличением выгорания ядерного топлива. Удлинение кампании для водоохлаждаемых реакторов с 12 до 18-24 месяцев требует применение топлива с обогащением по ²³⁵U до 4,5%. Однако в начальном периоде кампании такое топлива будет обладать высокой реактивностью, которую необходимо подавлять. Для этой цели в активную зону водоохлаждаемого реактора необходимо вводить выгорающий поглотитель нейтронов, который должен иметь высокое поперечное сечение захвата нейтронов и не вызывать образования нежелательных продуктов деления.

На первом этапе развития этой идеи были разработаны и испытаны сегрегированные поглотители нейтронов, которые в виде стержней СУЗ и СВП вводили в активную зону. Однако использование сегрегированных поглотителей нейтронов приводило к образованию значительных количеств высокоактивных отходов, стоимость хранения и захоронения которых велика. Поэтому в дальнейшем усилия исследователей были направлены на создание интегрированного поглотителя нейтронов, как добавки к традиционному обогащенному урановому топливу.

Широкое распространение получили два вида интегральных выгорающих поглотителей нейтронов – гадолиниевый в виде добавок в топливную композицию оксида гадолиния Gd₂O₃ и борсодержащий в виде керамических покрытий таблеток из UO₂ боридом циркония ZrB₂. Первое уран-гадолиниевое топливо с содержанием G₂O₃ 1-2% было загружено в реактор типа BWR на АЭС «Дрезден-1» в 60-е годы XX в., а в реакторы типа PWR - в 1971 г. На АЭС «Обриггейм», ФРГ. Проблемы, возникшие в связи с использованием в топливной композиции Gd₂O₃, заключались в трудностях расчета выгорания ²³⁵U и накопления ²³⁹Pu, и связанных с этим расчетов нейтронных полей с учетом адсорбции нейтронов остаточными четными изотопами гадолиния. Решение этих проблем было найдено за счет разработки требований к топливной композиции и усовершенствованием конструкции твэлов.

В 1973г. американская фирма «Вестингхаус» разработала альтернативный интегральный выгорающий поглотитель, который наносится в виде тонкого керамического слоя из ZrB₂ на поверхность топливной таблетки из обогащенного UO₂. Преимущества этого поглотителя заключается в использовании традиционного элемента активной зоны реактора - бора, что облегчает ядерно-физические расчеты. Недостатки борсодержащего поглотителя заключаются в накоплении газообразных продуктов деления – гелия и трития, что повышает давление в твэле и затрудняет переработку (из-за трития) такого ОЯТ.

В нашей стране проводятся исследования по использованию в качестве интерирующего выгорающего поглотителя оксида эрбия, а также оксидов других РЗЭ, таких как Sm, Eu, Dy, Lu. Рассматривется возможность использования ¹⁷⁷Hf . Оксид эрбия Er₂O₃ используется в качестве выгорающего поглотителя во Франции. Для уран-эрбиевого топлива разработаны способы его изготовления в промышленном масштабе.

В настоящее время уран-гадолиниевое топливо занимает лидирующее положение при использовании на АЭС топлива с интегрированным выгорающим поглотителем, как для реакторов типа LWR, BWR, так и PWR.