5.4.2. Изготовление топливных таблеток, твэлов и твс.
В настоящее время основным видом ядерного топлива для тепловыделяющих элементов реакторов любого типа является диоксид урана в оболочке из циркониевого сплава или из стали. Это топливо обеспечивает приемлемые характеристики твэла для 4-5 годичной кампании и при выгорании до 60 Мвт×сут\кгU.
Металлический уран сравнительно редко используют как ядерное топливо. Его максимальная температура ограничена 660 °C. При этой температуре происходит фазовый переход, в котором изменяется кристаллическая структура урана. Фазовый переход сопровождается увеличением объёма урана, что может привести к разрушению оболочки ТВЭЛов. При длительном облучении в температурном интервале 200—500 °C уран подвержен радиационному росту. Это явление заключается в том, что облучённый урановый стержень удлиняется. Радиационная стойкость и механические свойства топлива улучшаются после легирования урана, в процессе которого в уран добавляют доли процентов молибдена, алюминия, или других металлов.
В настоящее время основным видом ядерного топлива для тепловыделяющих элементов реакторов любого типа является двуокись урана. Её температура плавления равна 2800 °C, плотность — 10,6 г/см³. У двуокиси урана нет фазовых переходов, она менее подвержена распуханию, чем сплавы урана. Двуокись урана не взаимодействует с цирконием, ниобием, нержавеющей сталью и другими материалами при высоких температурах. Основной недостаток керамики — низкая теплопроводность — 4,5 кДж/(м·К), которая ограничивает удельную мощность реактора по температуре плавления. Так, максимальная плотность теплового потока в реакторах ВВЭР на двуокиси урана не превышает 1,4·103 кВт/м², при этом максимальная температура в стержневых ТВЭЛах достигает 2200 °C.
Топливо на основе UO2 обеспечивает приемлемые характеристики твэла для 4-5 годичной кампании и при энерговыработке до 60 Мвт×сут\кгU. Однако, не прекращаются поиски для улучшения эксплуатационных характеристик ядерного топлива с целью повышения безопасности и экономичности АЭС, в том числе делаются попытки создания и внедрения новых видов ядерного топлива.
Поэтому после обогащения гексофторид урана заданного обогащения перерабатывется снова в диоксид, проходя при этом следующие стадии: гидролиз гексафторида урана раствором аммиака; прокалка аммонийной соли до оксидов; растворение оксидов в азотной кислоте; переосаждение, фильрация и прокалка до диоксида; измельчение в порошок. Как правили, на все операции существуют жесткие ограничения по примесям, кислородному коэффициенту, дисперсности и т.д. Полученный порошок диоксида урана поступает на линию изготовления топливных таблеток методами прессования и спекания. Таблетки имеют, как правило, цилиндрическую форму приблизительно, 2 см по высоте и 1.5 см в диаметре (см. рис. 5.11).
Рис. 5.11. Топливные таблетки из диоксида урана для твэлов реакторов ВВЭР-1000.
Топливные таблетки помещаются в герметичные трубки (оболочки), изготовленные,обычно, из сплавов циркония и получают, таким образом, тепловыделяющие элементы (твэлы).
Твэлы – самые ответственные и очень напряженные конструктивные элементы активной зоны ядерных реакторов. Генерируемая в твэлах тепловая энергия отводится от наружной поверхности оболочки теплоносителем первого контура охлаждения реактора. Разгерметизация твэла приводит к наиболее опасным последствиям – попаданию ядерного горючего и продуктов деления в контур теплоносителя. Поэтому одна из главных задач при разработке активной зоны ядерного реактора заключается в создании надежных конструкций твэлов.
С целью упрощения процедур загрузки-выгрузки топлива в реактор, твэлы объединяют в тепловыделяющие сборки (ТВС) (см. рис.5.12). Конструкция ТВС должна обеспечить надежные условия охлаждения всех твэлов в сборке даже в максимально возможной аварийной ситуации, должна допускать осевое и радиальное расширение и возможность изменения формы твэлов без их изгибов, нарушений дистанционирования и без существенного механического воздействия на твэлы со стороны дистанционирующих элементов и чехла. Твэлы и ТВС по своему материальному составу и геометрическим формам зависят от типа реактора, а также от многих других особенностей, связанных с разными подходами к конструированию подобных систем. Например, ТВС для реакторов PWR в радиальном сечении имеют форму квадрата, а ТВС реакторов ВВЭР шестигранное сечение.
Рис.5.12. Изготовление ТВС для реактора ВВЭР-1000.