57. Ядерне паливо

В усіх енергетичних реакторах в якості палива використовують уран: або природний, що містить 0,7 % ²³⁵U, або збагачений, в якому вміст ²³⁵U підвищено до декількох відсотків. Деякі дослідні енергетичні реактори працюють на ²³²Th (в них відтворюється ізотоп ²³³U, що ділиться) або на ²³⁹Pu в суміші з ²³⁸ в якості домішки до ²³⁵U („змішане паливо”). Незалежно від того, чи використовується уран, торій або плутоній, твел повинен бути здатним витримувати температури, які значно перевищують 1000 ^оС, не зазнаючи фізичного або хімічного ушкодження під дією тепла або поромі-нення. Твели, виготовлені із металічного урану, мають високу теплопровід-ність, необхідну для максимального зменшення температурних ефектів, але на жаль уран плавиться при 1130 ^оС, а плутоній – при 640 ^оС. Більше того, металічний уран має три, а плутоній шість алотропних форм в діапазоні від кімнатної температури до плавління. В результаті вплив поля випроміню-вання і високої температури може спричинити перекристалізацію в різних алотропічних формах, що призведе до значних змін фізичних розмірів палив-ного стрижня. Такі деформації в твелі зменшують механічну міцність і під-вищують можливість корозії, навіть якщо твели мають металеву оболонку. В більшості енергетичних реакторів в якості палива використовують розта-шовані в оболонках керамічні пігулки з UО₂, PuО₂ або ThО₂. В деяких реакторах використовують UС. Розмір циліндричних пігулок 1х 1 см. Такі твели термостійкі, не зазнають фазових перетворень металів і більш стійкі до радіаційних ефектів. На жаль, теплопровідність керамічних твелів нижче, ніж у металічних, тому в керамічних твелах часто виникають доволі високі тем-пературні градієнти (до 100 ^оС/мм). При цьому керамічне паливо може плави-тись в центрі твелу (t_пл UО₂ 2700 ^оС), навіть якщо температура на поверхні твелу значно нижча температури плавління палива. Щоб забезпечити максимальну теплопровідність в керамічному паливному матеріалі, його спікають і пресують до щільності біля 11 г/см³ для UО₂. У випадку, коли застосовують твели із змішаного уран-плутонієвого палива, наприклад в водо-водяних (< 5 % PuO₂) або швидких (≤ 15 % PuO₂) реакторах, суміш UО₂ - PuO₂ повинна бути більш однородною в структурному відношенні і переважно бути твердим розчином. Краще за все це досягається сумісним осаджуванням цих чотирьохвалентних актиноїдів, звичайно у формі окса-латів, з наступним прожарюванням осаду, що отримується. Змішане паливо на основі оксидів урану і торію використовують також в реакторах на важкій воді. Замість пігулок можна використовувати сферичні паливні частинки. Це дає переваги у виготовленні, використанні в реакторі і в переробці палива. Ці частинки із оксидів або карбідів дуже маленькі, діаметром менше 1 мм. Частинки отримують методом „золь – гель” .

Металеве паливо вміщують в оболонку з алюмінію, магнію або із сплавів алюмінію та магнію, а пігулки із оксидного палива – в оболонки із сплавів цирконію і нержавіючої сталі. Призначення оболонки – захист палива від корозії та захист теплоносія від радіоактивного забруднення продуктами поділу із твелу. В реакторах, що охолоджуються водою, використовували алюміній, а при температурі вище 300 ^оС більш міцні цирконієві сплави. При температурах пари більше 400 ^оС цирконій поглинає водень, що підвищує його крихкість, тому переваги має нержавіюча сталь. Найбільш звичайними сплавами, що застосовуються в якості матеріалу оболонки, є циркалой-2 (містить 1,5 % Sn i 0,3 % Cr, Ni i Fe) та нержавіюча сталь марки 302 В (містить 18 % Cr i 8 % Ni). Нержавіючу сталь не застосовують при більш низьких температурах завдяки великому перетину захоплення.