4.1. Ядерное топливо.

Под ядерным топливом обычно понимается совокупность всех делящихся нуклидов в активной зоне. Большинство ис­пользуемых в энергоблоках АЭС тепловых ЭЯР в начальной стадии эксплуа­тации работают на чисто урановом топливе, но в процессе кампании в них воспроизводится существенное количество вторичного ядерного топлива - плутония-239, который сразу после его образования включается в процесс размножения нейтронов в реакторе. Поэтому топливом в таких ЭЯР в любой момент кампании следует считать, как минимум, совокупность трёх делящихся компонентов: ²³⁵U, ²³⁸U и ²³⁹Pu. Уран-235 и плутоний-239 делятся нейтронами любых энергий реакторного спектра, а ²³⁸U, как уже отмечалось, только быстрыми надпороговыми (с Е > 1.1 МэВ) нейтронами.

Основной характеристикой уранового ядерного топлива является его начальное обогащение (x), под которым понимается доля (или процентное содержание) ядер урана-235 среди всех ядер урана. А поскольку на более чем 99.99% уран состоит из двух изотопов - ²³⁵U и ²³⁸U, то величина обогащения:

. (4.1.1)

В природном металлическом уране содержится приблизительно 0.71% ядер ²³⁵U, а более 99.28% составляет ²³⁸U (прочие изотопы урана: ²³³U, ²³⁴U, ²³⁶U и ²³⁷U - присутствуют в природном уране в настолько незначи­тельных количествах, что могут не приниматься во внимание).

В реакторах АЭС используется уран низкого обогащения (обогащённый до 1.8  5.2%), в ре­акторах морских транспортных ядерных энергоустановок начальное обога­щение ядерного топлива составляет 21  45%, а в установках с жидкометаллическими реакторами используется ядерное топливо с обогащением до 90%. Использование топлива с низким обогащением на АЭС объясняется экономическими соображениями: технология производства обогащённого топлива сложна, энергоёмка, требует сложного и громоздкого оборудования, а потому и является дорогой технологией.

Металлический уран термически не стоек, подвержен аллотропным превращениям при относительно невысоких температурах и химически нестабилен, а потому неприемлем в качестве топлива энергетических реакторов. Поэтому уран в реакторах используется не в чисто металлическом виде, а в форме химических (или металлургических) соединений с другими химическими элементами. Эти соединения называются топливными композициями.

Наиболее распространенные в реакторной технике топливные компози­ции:

UO₂, U₃O₈, UC, UC₂, UN, U₃Si, (UAl₃)Si, UBe₁₃.

Другой (другие) химический элемент топливной композиции называют разжижителем топлива. В первых двух из перечисленных топливных компо­зиций разжижителем является кислород, во вторых двух - углерод, в по­следующих соответственно азот, кремний, алюминий с кремнием и бериллий.

Основные требования к разжижителю - те же, что и замедлителю в ре­акторе: он должен иметь высокое микросечение упругого рассеяния и воз­можно более низкое микросечение поглощения тепловых и резонансных ней­тронов.

Наиболее распространенной топливной композицией в энергетических реакторах АЭС является диоксид урана (UO₂), и его разжижитель - кисло­род - в полной мере отвечает всем упомянутым требованиям.

Температура плавления диоксида (2800^oС) и его высокая термическая устойчивость позволяют иметь высокотемпературное топливо с допустимой рабочей температурой до 2200^оС.