14.3. СВЯЗУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ
Как показано на рис. 14.1 и 14.5, между топливным материалом и материалом оболочки твэлов пластинчатого и цилиндрического типов имеются тонкие промежуточные слои (или пленки) связующих материалов. Связующие материалы в виде тонких слоев или пленок в зазоре между топливом и оболочкой (или на границе раздела) осуществляют сцепление топлива с оболочкой в твэлах. В качестве связующего материала можно использовать также газ или жидкость, например гелий или натрий.
Сцепление между материалами топлива и оболочки в твэле можно разделить на металлургическое, механическое и сцепление через жидкость или газ. Последнее играет наиболее важную роль в технологии производства ядерного топлива.
В случае металлургического сцепления две поверхности оказываются плотно сцепленными друг с другом по всей площади контакта за счет физического взаимодействия межатомных сил. Для осуществления металлургического сцепления поверхности необходимо привести в плотное соприкосновение с помощью таких методов обработки давлением, как экструзия, горячее прессование или горячая прокатка. Механическое сцепление аналогично металлургическому в том отношении, что поверхности топлива и оболочки механически контактируют друг с другом. Однако в случае механического сцепления контакт двух поверхностей не является совершенным. При металлургическом и механическом сцеплениях может создаваться диффузионный барьер в виде тонкой пленки между поверхностями топлива и оболочки, препятствующий взаимной диффузии двух материалов. Но металлургическое и механическое сцепления могут приводить к появлению термического барьера между поверхностями топлива и оболочки, т. е. к увеличению термического сопротивления двух материалов. Сцепление через тонкие слои газа или жидкости может не только предотвратить взаимную диффузию материалов, но и уменьшить термическое сопротивление между поверхностями топлива и оболочки в твэле.
Теплопередача от внешней поверхности топливного сердечника к внутренней поверхности оболочки должна осуществляться через слой жидкости или через заполненный газом зазор. Основные функции сцепления через жидкость или газ включают увеличение эффективности теплопередачи от топлива к оболочке, предотвращение взаимной диффузии между материалами топлива и оболочки, уменьшение химического воздействия продуктов деления, выделяющихся из топлива, на оболочку, обеспечение свободного пространства для аккомодации термического расширения и радиационного распухания материалов топлива и оболочки, уменьшение термического сопротивления поверхности раздела топливо - оболочка при заполнении зазора топливным материалом.
Ниже приведены результаты по перепаду температуры в зазоре, заполненном различными связующими материалами при атмосферном давлении, для следующих условий: средний тепловой поток 158 Вт/см2, ширина зазора 0,0254 мм и средняя температура поверхности топлива* 400 °С.
* По-видимому, автор имеет в виду поверхность оболочки. - Прим. пер.
Связующий материал Перепад, С
Не............................................................................................ 150
Н.............................................................................................. 100
Na................................................................................. 1
Газообразные продукты деления (Kr, Хе) .................... 2260
Смесь 50% Нс и 50% Kr и Хе.............................. 300
Сплав NaK (22% Na и 78% К) ............................ 1,5
Приведенные данные по перепаду температуры в зазоре характеризуют эффективность теплопередачи того или иного связующего материала. При изготовлении топлива в качестве связующих материалов обычно используются гелий и натрий. При выделении из топлива 85Kr и 133Xe— инертных газообразных продуктов деления-теплопередача между материалами топлива и оболочки ухудшается. В этом отношении предпочтительна смесь гелия с газообразными продуктами деления.
