Первые использованные в реакторе AVR твэлы состояли из полых шаров, заполненных смесью микротвэлов и матричного графита со связующим веществом и закупоренных с помощью резьбовой пробки (рис. 4.17). Они были разработаны и созданы в Ок-Ридже [21]. Способ изготовления полых шаров путем обточки из графитовых блоков относительно дорог.
Рис. 4.18. Технологическая схема процесса изготовления шаровых твэлов [22].
Поэтому для направления THTR разработан новый способ — прессование твэлов. Такие твэлы были внедрены и на реакторе AVR при следующих его загрузках. Диаметр твэла составляет около 6 см. У прессованных твэлов центральная часть с топливом имеет диаметр 5 см при толщине оболочки 0,5 см. Для изготовления топливного сердечника и оболочки используют одну и ту же марку графита. Объемное содержание топливных частиц в твэлах реактора THTR-300 достигает 17% и может быть повышено до 25% без какого-либо снижения прочности твэла.
Твэлы реактора THTR-300 содержат топливные частицы (U/Th)O2 диаметром от 300 до 400 мкм с тройным покрытием (так называемым триплексом). Один твэл содержит около 1,1г 235U и 10,3 г Th.
Рис. 4.19. Разрез прессованного твэла реактора THTR-300 (а) и топливный сердечник с ребрами (б).
На рис. 4.18 приведена технологическая схема изготовления прессованных твэлов. Исходными продуктами являются природный графит, электрографит и смола. Из этих компонентов путем их соединения, перемешивания, высушивания и помола получают графитовый порошок для прессования [22]. Некоторую часть порошка используют для дополнительного покрытия, в которое в дальнейшем заключаются микротвэлы.
Очехлованные таким образом частицы затем прессуют с определенным количеством графита в пресс-форме из силиконовой резины при изостатическом давлении около 40 ат. Такое топливное ядро имеет наружные ребра для лучшего соединения с покрытием (рис. 4.19). Покрытие образуется путем последующего прессования при давлении около 3000 ат; связка коксуется при температуре до 800° С. Графитизация твэлов при обычно необходимой температуре 2700°С невозможна ввиду использования топливных микрочастиц с покрытием. Для этого необходимо применять специальные материалы особого качества. Поэтому на последней стадии осуществляется только обезгаживание твэлов при температуре около 1800° С. Приведем важнейшие параметры твэлов реактора THTR-300:
Сравнение характеристик твэлов с прессованным графитом и твэлов из монолитного материала показывает, что однородность первых лучше и также высока, как у лучших изотропных сортов графита, изготовленных из специального кокса.
