ГЛАВА 7
КЕРАМИЧЕСКИЙ УРАН
ВВЕДЕНИЕ
Для улучшения топливных характеристик и повышения теплового коэффициента полезного действия атомной электростанции рабочие температуры твэлов и АЭС должны быть максимально высокими. Повышение рабочих температур металлического топлива может привести к плавлению в центральных участках твэла металлического топлива из-за его низкой температуры плавления и к чрезмерному радиационному распуханию и радиационной ползучести вследствие радиационной нестабильности металлического топлива при высоких температурах (см. §6.7) [1-3].
Основные преимущества, которые были реализованы при использовании оксидного керамического топлива и ожидаются в случае использования карбидного и нитридного керамических топлив вместо металлических урановых топлив, заключаются в: 1) возможности эксплуатации топлива и АЭС при более высоких температурах, поскольку температура плавления керамических топлив существенно превышает температуру плавления металлических топлив, 2) хорошей радиационной (размерной, структурной и объемной) стабильности из-за отсутствия низкотемпературных фазовых превращений, 3) высокой стойкости к коррозии, окислению и взаимодействию с теплоносителем в результате относительной химической инертности и совместимости с материалами оболочек и реакторного теплоносителя (вода, пар и т.д.). Поэтому в отношении улучшения топливных характеристик и повышения теплового коэффициента полезного действия атомных электростанций керамические урановые топлива, как правило, превосходят обсуждавшиеся выше металлические урановые топлива [4, 5].
Несколько керамических урановых топлив были предложены, разработаны и испытаны. К наиболее интересным и изученным топливам относятся диоксид урана UO2, монокарбид урана UC, нитрид урана UN, сульфид урана US и силицид урана USi. Керамические топлива должны иметь большое число атомов урана в единице объема топлива, чтобы не прибегать к высокому обогащению урана, низкое массовое число и небольшое сечение поглощения нейтронов неделящегося компонента соединения для экономии нейтронов. Перечисленные ядерные свойства учитываются при выборе керамического топлива в ходе проектирования ядерного реактора.
Керамические топлива (керамики) — твердые неорганические неметаллические материалы с высокой температурой плавления. Межатомные связи в керамиках преимущественно ионные или ковалентные. Поэтому керамики можно использовать при высоких температурах.
КЕРАМИЧЕСКИЕ УРАНОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Керамические урановые соединения, применяемые в качестве ядерных топлив, могут входить в системы уран—кислород, уран—углерод и уран—азот. В системе уран—кислород наинизший оксид UO образуется в виде тонкой пленки на поверхности металлического урана при кратковременных выдержках на воздухе. Диоксид урана UO2 может существовать в виде соединений, состав которых может изменяться в широких пределах в зависимости от температуры и окружающей среды.
Оксид U3O7 (нестабильная смесь 2UO2+UO3) образуется при температуре около 150 °С, а оксид U3O8 — при температуре около 375 °С. При температурах выше 450 °С оксид U3O8 нестабилен и при температурах выше 1150 °С снова превращается в диоксид урана:
(7.1)
Аналогичным образом
(7.2)
В процессе работы оксидного топлива степень стехиометрии или химический состав соединения UO2 могут меняться. Если отношение атомов кислорода к атомам урана O/U = 2 может поддерживаться постоянным, то UO2 называется стехиометрическим топливом. При недостатке кислорода (или избытке урана) отношение O/U < 2,0 и UO2_* называется гиперстехиометрическим топливом. С другой стороны, в случае избыточного количества кислорода отношение O/U > 2,0 и UO2 + х называется гипостехиометрическим топливом. Гипостехиометрическое топливо (UO2 + х или PuO2 + *) может оказывать влияние на теплопроводность, радиационную стабильность и выделение газообразных продуктов деления топлива.
Отклонение от стехиометрии в результате самодиффузии в топливе или взаимной диффузии материалов топлива и оболочки с образованием гиперстехиометрического или гипостехиометрического топлива во время работы реактора делает составы соединений UO2 и PuO2 более сложными. Сказанное выше в равной мере относится и к гиперстехиометрическому, гипостехиометрическому и стехиометрическому топливам UC и PuC.
Таблица 7 1 Некоторые ядерные и физические свойства соединений урана
Среднее число нейтронов, испускаемых при поглощении одного теплового нейтрона
Некоторые ядерные и физические свойства керамических урановых топлив, заимствованные из различных источников, приведены в табл. 7.1. Диоксид урана UO2 используется в современных тепловых энергетических реакторах (легководные и тяжеловодные реакторы и т.д.). Монокарбид урана UC является потенциальным топливом, которое находится сейчас в стадии разработки и исследований. Нитрид урана UN — альтернативное потенциальное топливо для будущих тепловых энергетических реакторов. Оно также находится сейчас в стадии исследований и разработки. В качестве смешанных керамических топлив UO2 • PuO2 или (U, Pu)O2 используется в быстрых реакторах-размножителях с жидкометаллическим теплоносителем, a UC PuC и UN PuN или (U, Pu)С или (U, Pu)N разрабатываются в настоящее время как перспективные топлива для будущих быстрых реакторов-размножителей с жидкометаллическим теплоносителем.
