Требования к ядерному топливу

Ядерное топливо
Сечения деления, барн
Энергия, эВ
U235
U233
Pu239
Тепловые,
0.01-0.1
582
524
742
Промежуточн.
5.102-105
2
3
2
Быстрые
105-106
1.3
2
2
= 239U –  (23,5 мин)  239Np – (2,3 сут)  239Pu.
232Th+1n = 233Th– (23,3 мин)  233Pa– (27,4 сут)  233U
238U+1n
Топливные циклы
ВВЭР-1000
Выгорание 40 ГВт/с.т
Загружено 44 кг/т U235
Выгружено:
•
•
•
•
•
12.6 кг/т U235
5 кг/т U236
0.6 кг/т Np237
5.6 кг/т Pu239
1.8 кг/т Pu241
Требования к ядерному топливу
•
•
•
•
Высокая ядерная плотность. Концентрация делящегося
изотопа должна обеспечивать возможность необходимой
критической загрузки и запас реактивности реактора.
Радиационная стойкость, т.е. минимальное изменение
свойств, объема и способность удерживать внутри себя
продукты деления, в том числе и газообразные.
Высокая теплопроводность. Теплопроводность
определяет уровень температуры, градиентов
температуры и величину термических напряжений.
Однако в случае высоких температур плавления и
жаропрочности ядерного топлива возможно
использование его и при относительно низкой
теплопроводности.
Определенная пористость, желательная потому, что она
является компенсатором радиационного распухания и
повышает радиационную стойкость ядерного топлива.
Требования к ядерному топливу
•
•
•
•
•
•
•
Механическая прочность, совместно с оболочкой
обеспечивающая механическую прочность твэла.
Высокая температура плавления, с определенным
запасом превышающая максимальную рабочую
температуру.
Низкая упругость паров.
Совместимость с материалами оболочки.
Коррозийная и эрозийная устойчивость по отношению к
теплоносителю для предотвращения загрязнения контура
реактора продуктами деления и самим топливом.
Доступность, относительная дешевизна, простота
получения и обработки.
Возможность регенерации отработавших твэлов
простыми и дешевыми способами, а также возможность
переработки технологических отходов и выбракованных
твэлов.
Основные виды топлива
С, %
Тпл,, 0C

V/V
Освоенность
U
100
1130
+
-
+
Pu
100
640
+
-
+, -
UO2
88
2880
-
+
+
UPuO2
88
2840
-
+
+
UC
95.2
2370
+
+
+.-
UPuC
95.2
2340
+
+
+,-
UN
94.4
2850
+
+
+,-
UPuN
94.4
2820
+
+
+,-
Топливо
Теплопроводность соединений U и Pu
20
Коэффициент теплопроводности Вт/мК
UPuN
UN
10
UO2
UPuO2
0
0
1000
2000
Температура, Цельсия
3000
Распухание нитридного и оксидного топлива
Скорость распухания, %/%
5
4
3
UPuN
2
1
UO2, UPuO2
0
400
800
1200
Температура, С
1600
Требования к конструкционным
материалам
•
•
•
•
•
•
•
•
Малое сечение захвата нейтронов.
Высокая температура плавления
Высокая прочность и достаточная пластичность, что бы
выдерживать без разрушения напряжения и деформации в
процессе эксплуатации.
Способность сохранять свойства и размеры при
облучении, или менять их в допустимых пределах.
Высокая теплопроводность, для ограничения температур,
градиентов температур и термических напряжений.
Коррозийная и эрозийная стойкость в среде
теплоносителя.
Достаточное сопротивление усталости в связи с наличием
в твэлах циклических нагрузок.
Отсутствие значительного различия коэффициентов
термического расширения конструкционных материалов и
сердечников твэлов.
Требования к конструкционным
материалам
• Отсутствие значительного количества элементов,
обладающих большим поперечным сечением
активации, высоким периодом полураспада
нестабильных изотопов и относительно жестким излучением, которые в основном обусловливают
появление наведенной активности после
нейтронного облучения. Присутствие таких
элементов затрудняет обращение с отработавшими
твэлами и их переработку.
• Дешевизна, доступность, простота в получении и
легкость в обработке в процессе изготовления твэла.
• Возможность отделения от делящегося материала
твэла механическими, химическими или
пирометаллургическими способами для проведения
регенерации ядерного топлива.
Конструкционные материалы
Конструкционные материалы
Материал
Тпл, 0С
, барн
Вода, 0С
Na-K , 0С
Алюминий
660
0.22
200
300
Цирконий
1855
0.18
330
600
Сталь
1420
2.88
600
900
Магний
651
0.06
-
-
Графит
3650
0.0045
-
-
Вольфрам
3380
19.2
900
-