15. Требования к конструкции активной зоны и ее характеристики.

Активная зона должна быть спроектирована так, чтобы не допустить возможного непредусмотренного перемещения её составляющих, приводящего к увеличению реактивности.

Активная зона должна обеспечивать эффективное использование ядерного топлива – высокие размножающие и воспроизводящие свойства. Это достигается применением отражателя для уменьшения утечки нейтронов и специально подобранной геометрической формой активной зоны, а так же точным расчётом применяемой для формирования активной зоны гетерогенной структуры. Также должны быть малы коэффициенты неравномерности энерговыделения, обеспечена качественная гидродинамика (отсутствие сильных завихрений теплоносителя, его подкипание, опрокидывание циркуляции, сильная разверка расходов и т.п.)

Активная зона должна обладать хорошими эксплуатационными характеристиками (минимальны процессы отравления Xe и Sm, коэффициенты реактивности в необходимых для безопасности и удобства управления пределах).

Активная зона должна быть спроектирована так, чтобы отрицательные последствия при авариях были минимальны (исключение образования локальных критических масс при плавлении, пассивная безопасность).

Кроме того, активная зона должна обеспечивать удобство перегрузки топлива и обслуживания оборудования (в т.ч. и по радиационному критерию – нежелательно применение сильно активируемых материалов).

Основной составляющей гетерогенной среды является ТВЭЛ. Он определяет её надежность размеры и стоимость. В современных реакторах используют стержневые твэлы с топливом заключенным в оболочку из стали или циркониевого сплава. Они для удобства собираются в тепловыделяющие сборки (ТВС), устанавливаемые в активную зону. Более 90% всей энергии деления ядер выделяется внутри ТВЭЛА и отводится теплоносителем. Большие тепловые потоки и значение энергонапряженности топлива требуют исключительно высокой стойкости ТВЭЛа.

К ТВЭЛам предъявляются высокие требования:

1. Простота конструкции

2. Механическая устойчивость и прочность в потоке теплоносителя (обеспечение герметичности оболочки)

3. Малое поглощение нейтронов конструкционными материалами твэла.

4. Отсутствие взаимодействия ядерного топлива с оболочкой твэлов, теплоносителем и замедлителем при рабочих температурах.

5. Геометрическая форма должна обеспечивать требуемое соотношение S поверхности и объема и максимальной интенсивности отвода тепла теплоносителем от всей поверхности твэла, большую глубину выгорания и высокую степень удержания продуктов деления.

6. Должны обладать радиационной стойкостью, иметь размеры и конструкцию обеспечивающую возможность быстрого проведения перегрузочных операций, обладать простотой и экономичностью регенерации ядерного топлива. Низкой стоимостью.

16. Топливные материалы. Требования, предъявляемые к топливным материалам.

Топливо используется в трех видах.

1. Металлическое и интерметаллидное. Лучшее с точки зрения нейтронно –физических характеристик. При его использовании количество ядер в единице объема максимально. Потери нейтронов минимальны. Мягкий, плотность 18,9 г/см³ температура плавления 1129 – 1133ºС. Легко окисляется на воздухе. При температуре 20ºС градусов пленка окисла защищает от дальнейшего окисления. При температуре 660ºС резко ухудшаются механические свойства. Кроме того происходит радиационное повреждение под действием облучения. Распухание, радиационный рост. Поэтому ограничение по его использованию до 600ºС. Невысокая глубина выгорания. Газовые выделения становятся чрезмерными при высоких температурах. Введение уран легирующих слабопоглащающих нейтроны добавок Si, Fe, Cr приводит к уменьшению распухания на несколько порядков, но ухудшает нейтронный баланс, что плохо для тепловых реакторов.

2. Керамическое. Соединение урана с кислородом, азотом и углеродом. Имеет высокую температуру плавления, высокую плотность, хорошую рад стойкость, низкое сечение захвата нейтронов. Наибольшее распространение получил UO₂ с 88% содержанием урана.

А) высокая температура плавления

Б) химическая инертность.

В) высокая радиационная стойкость

Г) совместимость с конструкционными материалами и теплоносителем.

Плотность 11кг/м³ . Низкая теплопроводность. Порошок UO₂ окисляется при комнатной температуре. Совместим до 600 градусов с жидкометаллическим теплоносителем.

Не оксидные соединения. Наибольшее значение имеют карбиды. Наиболее перспективен UC. Рассматривается топливо к высоко температурным реакторам.

Дисперсное. Гетерогенная смесь в которой топливная фаза дисперсионно распространена в не топливном матричном материале. Каждая частичка топлива является микро твэлом заключенным в оболочку роль которой выполняет сама матрица. Матрицы и Be, Zr, Nb, С, Mn… А топливо UO₂, UC, Pu, U_мет

Преимущества. Повышенная радиационная стойкость. Продукты деления локализуются. Высокая теплопроводность. Технологичность материала матрицы позволяет изготовлять различные формы. Большая глубина выгорания до 60 %. Достижение высоких тепловых потоков.

Недостаток – необходимо высокое обогащение топлива.