Керамическое топливо

Керамическое топливо – соединения урана, плутония или тория с кислородом (UO₂) – оксиды, с углеродом – карбиды, с азотом – нитриды.

Эти соединения имеют высокие температуры плавления, высокую плотность, радиационную стойкость, низкое сечение захвата нейтронов

Наибольшее распространение получил диоксид урана (UO₂)с массовым содержанием урана 88%. Преимущественное использование этого вида топлива объясняется

- высокой температурой плавления (t_пл=2880 °С);

- химической инертностью;

- высокой радиационной стойкостью;

- совместимостью с большинством конструкционных материалов твэлов и теплоностелем.

Теоретическая плотность UO₂ 10,97×10³ кг/м³. В компактных изделиях плотность UO₂ составляет 10,0×10³ кг/м³.

Чрезвычайно низкая теплопроводность UO₂ (при t= 25 ^оС, =7,61 с ростом температуры уменьшается еще больше(при t= 1600 ^оС, =2,09 ).

При снижении плотности теплопроводность падает. Однако при работе в реакторе под воздействием высокой температуры и температурного перепада структура материала меняется и теплопроводность почти не зависит от способа уплотнения (спеканием или уплотнением порошка UO₂).

Теплоемкость UO₂ в зависимости от температуры лежит в пределах С_р =0,245 (при t = 25 ^оС) до С_р =0,355 (при t =1600 ^оС).

На воздухе спеченный UO₂ при комнатной температуре практически не окисляется. С повышением температуры скорость окисления возрастает, достигая максимума при температуре (500-700) °С, а затем вновь уменьшается.

Порошок UO₂ окисляется на воздухе даже при комнатной температуре.

С жидкометаллическими теплоносителями диоксид урана совместим до температуры 600 ^оС. Водород не взаимодействует с ним до температуры плавления.

UO₂ совместим с основными конструкционными материалами при рабочей температуре.

Влияние облучения на свойства диоксида урана.

При использовании UO₂ в ядерных реакторах происходит накопление газообразных и твердых продуктов деления в кристаллической решетке. Часть газообразных продуктов деления удерживаются в кристаллической решетке, а часть выделяются из нее. Газовыделение зависит от стехиометричности, плотности, выгорания и от температуры. До 1650 °С выделяется небольшой процент образовавшихся газов, при дальнейшем повышении температуры газовыделение резко возрастает.

Теплопроводность по мере выгорания топлива сначала падает, а затем остается на постоянном уровне (снижение теплопроводности может достигать 50%). При достижении выгорания более 50 МВт×сут/тU. температура плавления диоксида урана уменьшается до 2600 °С.

Диоксид тория (ThO₂) и диоксид плутония (PuO₂) рассматриваются как перспективный воспроизводящий материал и топливо для быстрых реакторов. Их характеристики во многом сходны с UO₂:

- ThO₂ имеет практическую плотность (9,5¸9,7)10³ кг/м³; температура плавления 3300 °С; теплопроводность при высоких температурах такая же, как и у UO₂;

- PuO₂ имеет практическую плотность 11,2×10³ кг/м³; температура плавления 2400 °С; теплопроводность PuO₂ ниже, чем у UO₂, коэффициент теплоемкости известен только при низких температурах.