12.5. Особенности работы с регенерированным плутонием.

Особенность работы со смешанным топливом заключается в том, что все работы должны проводиться в надежно герметичных боксах или камерах. Степень защиты зависит от изотопного состава плутония. В табл. 2 приведен изотопный состав отработавшего ядерного топлива, содержащего плутоний для различных типов реакторов.

Таблица 2.

Примеры изотопного состава плутония в отработанном ядерном топливе.

Тип топлива	Тип Реактора	Глуб. Выгор. ГВт.сут/тU	Время Выдержки, год	Изотопный состав плутония, %					Тепло-выдел. Вт/кг
				238Pu	239Pu	240Pu	241Pu	242Pu
U	MAGNOX	10	1	0,1	76,2	19,8	3,3	0,6	3,5
U	LWR	37	3	2,1	53,2	25,8	11,8	7,1	15
U-Pu	LWR	34	6	2,2	40,0	33,1	13,6	11,1	16

При работе с низкофоновым плутонием, полученным при регенерации топлива из реакторов на быстрых нейтронах, достаточно проведения работ в перчаточных камерах.

Плутоний, регенерированный из топлива реакторов на медленных нейтронах является высокофоновым, его изотопный состав зависит от очень многих факторов, и работа с таким плутонием может проводиться только в специально защищенных камерах. Это обусловлено жестким -излучением изотопа ²³⁶Pu (период полураспада 2,85 лет), мягким -излучением изотопа ²³⁸Pu, жестким -излучением изотопа ²⁴¹Am, который со временем накапливается в результате деления изотопа ²⁴¹Pu, и нейтронным излучением изотопов ²³⁸Pu, ²⁴⁰Pu, ²⁴²Pu, а также (,n)- реакцией на кислороде и легких металлах. Высокие нейтронные потоки с дополнительным -излучением затрудняют работу с плутониевым топливом. Единственный реальный и эффективный путь решения этих проблем – создание высокомеханизированного и автоматизированного производства твэлов с высокой радиационной защитой камер и дистанционным управлением.

Помимо трудностей работы с высокоактивным плутонием, высокофоновый плутоний создает проблемы технологического характера. Постоянно меняющийся в широком диапазоне изотопный состав плутония, табл.2, с одной стороны, и высокие требования по точности определения содержания и равномерности распределения делящихся изотопов в топливе, с другой стороны, обязывают проводить постоянный аналитический контроль и сложные аналитические расчеты для каждой партии топлива.

12.6. Требования, предъявляемые к таблеткам из уран – плутониевого топлива.

К таблеткам из смешанного уран-плутониевого топлива предъявляются достаточно жесткие требования, многие из которых аналогичны требованиям, предъявляемым к таблеткам из диоксида урана. В то же время к МОХ-топливу предъявляется целый ряд принципиально новых требований.

Обычные требования включают соблюдение таких параметров, как плотность, геометрия, содержание примесей, прочность, пластичность, влажность, и др. Дополнительные требования включают:

• гомогенность структуры или равномерное распределение мелкодисперсных включений PuO₂ в матрице (U,Pu)O₂;

• достехиометрический состав смеси оксидов, КК должен быть меньше 2;

• полнота растворения топлива в азотной кислоте;

• точное соотношение урана и плутония;

Плотность таблеток. Теоретическая плотность топлива состава (U_0,8Pu_0,2)O₂ равна 10,97 г/см³. Для твэлов отечественных реакторов на быстрых нейтронах принята плотность 10,4 – 10,7 г/см³. Такая же плотность принята для реакторов в Великобритании PFR, DFR.

Во французских реакторах принята плотность ~9,7 г/см³.Для получения такой плотности таблеток в них вводят порообразователи, например трикарбонатоуранилат аммония.

Допустимое отклонение плотности от номинала - 0,1 г/см³.

Влажность таблеток. Допустимое содержание влаги в таблетках ограничивается 10 ppm, или 10^.10^-4 %. Таблетки с плотностью 10,4 – 10,7 г/см³ содержат больше влаги, поэтому требуется их сушка перед снаряжением твэлов.

Диаметр таблеток. Минимальный диаметральный зазор в твэлах реакторов на быстрых нейтронах составляет 150-200 мкм. Максимальный диаметральный зазор в твэлах реакторов на быстрых нейтронах определяется допустимой температурой в сердечнике. С учетом этого минусовой допуск от номинала диаметра таблетки составляет 0,1 мм. Для зарубежных реакторов 50 и даже 25 мкм. Высота таблеток принята 1,2-1,5 диаметра. Для предотвращения образования сколов на краях таблеток делают, как правило, фаску.

Микроструктура таблеток. Для таблеток их МОХ-топлива требуется крупнозернистая структура с равномерно распределенной пористостью с размером пор 2-3 мкм. Очень важна однородность структуры, подтверждающая наличие твердого раствора. Об образовании твердого раствора судят по параметру решетки при рентгеноструктурном анализе, или по альфа-радиограмме. В ТУ оговаривается допустимый размер и количество частиц обогащенной плутонием фазы. Объемная доля частиц этой фазы размером до 100 мкм должна быть не более 10%, размер остальных 90% частиц второй фазы должен быть не более 40 мкм. Подтверждением наличия твердого раствора является хорошая растворимость топлива в азотной кислоте.

Кислородный коэффициент. КК для МОХ-топлива более важная характеристика, чем для уранового топлива. КК определяет физико-химические и механические свойства сердечников твэлов и их поведение при облучении От КК зависит химическое ВТО. Чем меньше КК тем меньше ВТО. С уменьшением КК МОХ-топлива уменьшается его пластичность и увеличивается его механическое воздействие на оболочку твэла. При КК = 1,93 на границе с оболочкой образуется соединение Cs₂CrO₄, имеющее небольшую плотность. Увеличение КК до 2 увеличивает межкристаллитное взаимодействие с оболочкой. Значение КК для МОХ-топлива поддерживают на уровне 1,970,01.

Изотопный состав. Заданное содержание изотопов плутония должно соблюдаться с погрешностью не хуже 0,3 % при массовом содержании плутония до 20 % и не хуже 0,2 % при содержании плутония свыше 20 %.