2. Материалы топлива

Источником тепла, выделяющегося в активной зоне, служит реакция деления ядер топлива. В качестве делящегося элемента топлива применяют уран, плутоний и торий. Ядерное топливо в реакторах может применяться в виде металла, сплавов, соединений с неметаллами (керамическое топливо), в виде дисперсионных смесей, в виде растворов, взвесей и расплавов солей. Исходя из условий осуществления цепной реакции, наилучший материал для топливного сердечника – металлический уран или плутоний, так как в этом случае число атомов топлива в единице объема получается наибольшим, а потери нейтронов в неделящихся материалах – наименьшими. Однако, наиболее широкое распространение получило керамическое топливо в виде диоксида урана – UO₂. Этот вид топлива отличается высокой степенью выгорания, химической стабильностью, совместимостью с другими реакторными материалами, обладает высокой температурой плавления и позволяет обеспечивать высокие уровни выгорания топлива.

При делении урана возникает целый ряд продуктов деления – порядка 160 изотопов с атомными массами от 72 до 166. Большинство этих изотопов являются нестабильными и впоследствии распадаются, образуя новые продукты. При этих реакциях также происходит выделение тепла и образование нейтронов и других видов излучения. Именно продукты деления ядерного топлива используются при проведении радиационно-технологического контроля для оценки состояния активной зоны реактора, поскольку попадание их большого количества в теплоноситель будет свидетельствовать о наличии разгерметизировавшихся твэлов.

3. Материалы теплоносителя

Назначение теплоносителя в реакторной установке – отвод тепла, выделяющегося в активной зоне реактора и передача этого тепла рабочему телу в парогенерирующих установках или теплообменных аппаратах. Эффективность отвода тепла с поверхности твэлов, допускаемые тепловые нагрузки, экономичность работы установки существенно зависят от среды, которая используется в качестве теплоносителя. Как было отмечено ранее, в качестве теплоносителя могут выступать жидкие среды (вода, водные растворы, расплавы металлов, органические и неорганические жидкости) и газы.

Самым распространённым теплоносителем является вода. Её одновременно используют в реакторах на тепловых нейтронах и в качестве теплоносителя, и в качестве замедлителя. Основные достоинства воды как теплоносителя – это хорошие теплопередающие свойства, что обеспечивает высокую интенсивность отвода тепла от твэлов, невысокая стоимость, безопасность, небольшие требуемые затраты мощности насосов для циркуляции по контуру, хорошая устойчивость при облучении, изученность свойств, возможность непосредственной генерации пара в активной зоне кипящих реакторов.

Однако, водный теплоноситель имеет и ряд недостатков: низкая температура кипения, что приводит к необходимости создавать в контуре высокое давление, высокая коррозионная активность, необходимость использования воды высокой чистоты. Для тяжёлой воды, обладающей лучшим коэффициентом замедления, характерна высокая стоимость получения. По этим причинам в некоторых случаях отказываются от применения воды в качестве теплоносителя, используя другие материалы.

Для использования в качестве теплоносителей можно рассматривать натрий, калий, сплав натрия с калием, литий сплав свинца и висмут и некоторые другие металлы. Жидкометаллические теплоносители имеют высокую температуру кипения при низком давлении, обладают хорошими теплопередающими свойствами, имеют достаточно высокую тепловую и радиационную стойкость, для некоторых характерно сравнительно слабое коррозионное воздействие на конструкционные материалы. Жидкие металлы позволяют использовать активную зоны при более высоких температурах.

Газы обладают хорошей термической и радиационной стабильностью, пригодны в качестве теплоносителей для высокотемпературных реакторов, имеют невысокую коррозионную активность и просты в обращении. Однако, существенными их недостатками являются плохие теплопередающие характеристики и высокие затраты на циркуляцию.

Наиболее подходящим из газов по физическим и химическим свойствам является гелий. У него малое сечение поглощения нейтронов. Он практически не оказывает коррозионного воздействия. Основные недостатки – высокая стоимость и большая текучесть.

Также в качестве газового теплоносителя можно применять углекислый газ. У него малые сечения захвата и благоприятные теплофизические свойства. Из-за сравнительно высокой плотности газа активная зона получается достаточно компактной. Углекислый газ менее эффективен в передаче тепла по сравнению с гелием, однако это окупается его доступностью и простотой в обращении.

Наиболее распространённым теплоносителем, тем не менее, остаётся вода. Дальнейшее рассмотрение будет посвящено, в основном, водо-водяным реакторам, находящимся под давлением (ВВРД).