2. Характеристика ядерного топлива

В качестве рабочих ТВС в активной зоне реактора СМ-3 могут быть использованы:

две модификации ТВС с твэлами с загрузкой 5 г по U-235 (черт. 184.03.000, 184.05.000) по [2.1], содержащие 0,94 и 0,8 кг U-235 соответственно;

три модификации ТВС с твэлами с загрузкой 6 г по U-235 (черт. 184.08.000, 184.09.000 и 184.10.000) по [2.1] с дополнениями, разработанные в ходе работ по модернизации активной зоны и содержащие 1,128, 0,960 и 0,948 кг U-235 соответственно.

Основные характеристики ТВС (черт. 184.03.000, 184.05.000) реактора СМ-3

Параметр	Размерность	Значение
тип	–	184.03.000	184.05.000
загрузка по 235U	кг	0,940,010	0,80,010
количество твэлов	шт	188	160
поверхность теплосъема	м2	1,13	0,96
сечение по теплоносителю	м2	28,010-4	27,110-4 (при мишенях  10мм)
кожух
материал		сталь 12Х18Н10Т
наружный размер	мм	6969
толщина	мм	0,5
материал концевых и других деталей	–	12Х18Н10Т, 09Х18Н10Т
Максимальное выгорание топлива в твэлах	%	до 70

Основные характеристики твэлов реактора см-3

Параметр	Размерность	Значение
тип		дисперсионный, стержневой, крестообразного профиля
диаметр описанный	мм	5,15
периметр	мм	16,57
площадь поперечного сечения	мм2	10,46
тип решетки расстановки твэлов	–	треугольная
шаг расстановки	мм	5,23
шаг завивки ребер	мм	300±40, направление - правое
длина активной части	мм	350
топливная композиция	–	диоксид урана, диспергированный в матрице
материал матрицы	–	смесь порошков меди (ПМС-А) и бронзы Бр. Б2 (массовая доля Be в смеси 0,25%)
температура плавления матрицы	С	1080
обогащение урана	%	90
материал оболочки и концевиков		сталь ЭИ-847
толщина оболочки	мм	0,15
температура плавления оболочки	С	1400
контактная зона "топливо-оболочка"	–	диффузионный слой

2. Конструктивные и физические особенности реактора см-3

Широкий круг проводимых исследований, для которых необходим как жесткий энергетический спектр нейтронов (испытания конструкционных материалов), так и наличие нейтронов тепловых энергий с высокой плотностью потока (накопление трансурановых элементов, производство радионуклидов с высокой удельной активностью, испытания топливных композиций), потребовал при проектировании реактора специальной компоновки активной зоны. В центре реактора расположена нейтронная ловушка  полость для размещения облучаемых мишеней, заполненная эффективным замедлителем нейтронов. Нейтронная ловушка окружена кольцом активной зоны с высокой концентрацией делящегося вещества и относительно небольшой концентрацией ядер замедлителя, в качестве которого выбрана легкая вода. Вода служит также теплоносителем. В активной зоне такого типа формируется жесткий энергетический спектр нейтронов. Высокоэнергетичные нейтроны, вылетая из активной зоны, замедляются до тепловых энергий в нейтронной ловушке и боковом отражателе, которым со всех сторон окружена активная зона. В ловушке достигается максимальная плотность потока тепловых нейтронов. В отражателе плотность потока тепловых нейтронов существенно меньше, чем в ловушке, из-за разницы геометрических соотношений. Боковой отражатель реактора выполнен из бериллия, обеспечивающего больший коэффициент отражения и большую площадь миграции нейтронов по сравнению с водой. В отражателе размещены экспериментальные каналы. Невозмущенная плотность потока тепловых нейтронов в ловушке может достигать 510¹⁹ м^-2 с^-1 при мощности реактора 100 МВт и использовании легкой воды в качестве замедлителя нейтронов. При вытеснении воды облучаемыми материалами плотность потока тепловых нейтронов в мишенях из слабо поглощающего нейтроны материала снижается до 2,510¹⁹ м^-2 с^-1 . В экспериментальных каналах отражателя плотность потока тепловых нейтронов меньше, чем в ловушке, но также достаточно высока  до 1,510¹⁹ м^-2с^-1.

В реакторах ловушечного типа полезно используемые нейтроны образуются за счет утечки нейтронов деления из активной зоны, поэтому толщина кольцевого топливного слоя должна быть небольшой, а плотность деления в ней  по возможности максимальной. Первое условие достигается применением высокообогащенного топлива (90% ²³⁵U), а второе  использованием твэлов специальной конструкции, выдерживающих большое удельное энерговыделение и обеспечивающих эффективный отвод тепла. В качестве топливного элемента для реактора СМ-3 выбран твэл стержневой конструкции, имеющий крестообразное сечение. Топливо в виде крупки диоксида урана, диспергировано в металлическую матрицу, состоящую из меди с добавлением бериллиевой бронзы. Оболочка твэла  нержавеющая сталь. Твэл такой конструкции имеет развитую поверхность теплосъема, обладает хорошей теплопроводностью топливного сердечника, оболочка выдерживает высокие температуры. Поэтому в активной зоне реактора СМ-3 среднее удельное энерговыделение составляет 2000 кВт/л, а максимальное может достигать 10000 кВт/л (максимальный тепловой поток с поверхности твэла  15 МВт/м²). Жесткий энергетический спектр нейтронов в активной зоне позволяет использовать твэлы с медной матрицей и стальной оболочкой без существенного ухудшения баланса нейтронов за счет вредного поглощения в этих материалах.