Как отмечалось в гл. 1, в реакторах-размножителях (быстрых или тепловых) может быть осуществлен ториевый цикл: Тh—238U, однако его характеристики воспроизводства оказываются не очень хорошими. Тем не менее возможностям использования тория в быстрых реакторах уделялось достаточно много внимания [10].
По сравнению с ураном металлический торий отличается лучшей теплопроводностью и меньшим тепловым расширением. Благодаря этому тепловые напряжения твэлов снижаются. Кроме того, торий характеризуется меньшим эффектом обратной температурной связи, обусловленной тепловым расширением, и меньшей плотностью, чем уран.
Наиболее существенным отличием тория от урана является его изотропная кристаллическая структура (гранецентрированная кубическая решетка). По этой причине изменение размеров в условиях термоциклов и облучения оказывается не столь большим, как в металлическом уране в анизотропной фазе. Радиационное распухание у тория меньше, и он более пластичен. Температура плавления у него более высокая (1700 oС). Последнее свойство затрудняет процессы плавки и литья при изготовлении. После отливки в металлическом тории образуются крупные зерна. При холодной деформации он легко растрескивается. В то же время в горячем состоянии он легко прокатывается без промежуточного отжига до толщины около 0,025 мм. В целом металлический торий более прост в обращении, чем металлический уран.
Оксиды
Чтобы торий использовать в качестве топлива, его необходимо смешать с ураном. В случае оксидного топлива удается получить необходимую смесь в одинаковом фазовом состоянии (т. е. с идентичной кристаллической структурой). Оксидное топливо можно изготовить, применяя операции уплотнения и высокотемпературного распределения пористости в атмосфере воздуха. Однако последнюю операцию лучше проводить в атмосфере водорода во избежание образования кислородного избытка.
В ThO2 наблюдается образование столбчатых зерен и соответствующих им двояковыпуклых пор, также как в UO2. Однако давление паров ThO2 меньше, поэтому рост зерен начинается при более высоких температурах (примерно на 350 °С). Рост равноосных зерен в Th02 и U02 происходит одинаково. Картина теплового растрескивания также одинакова. Теплопроводность чистого ториевого оксида примерно на 10 % выше, чем чистого уранового.
Имеющиеся данные по облучению Th02—UO2 топлива свидетельствуют о малом эффекте распухания. Его можно использовать в быстрых реакторах, по-видимому, аналогично UO2—PuO2. Однако для окончательных заключений нужны дополнительные исследования.
Карбиды
Карбид тория ThC характеризуется гранецентрированной решеткой, имеет плотность 10,65 г/см3 и температуру плавления 2625 °С. Положительным качеством ThC является возможность изменять массовое содержание углерода от 3,8 до 4,9 % без изменения кристаллической структуры. Этим он сильно отличается от UC. Информации о поведении смеси ThC—UC в настоящее время недостаточно.
Металл
Металлическое топливо из тория и урана изготовляется достаточно просто Однако следует иметь в виду, что доля урана не должна превышать определенную величину. В противном случае возникает проблема стабильности размеров. Можно допустить содержание примерно 1 % урана в твердом растворе U—Th при температурах до 1000 °С. При более высоком содержании урана последний начинает концентрироваться преимущественно на границах зерен. При содержании урана до 20 % его можно рассматривать как дисперсную примесь в гранецентрированной кристаллической решетке тория, и лишь при более высоком содержании урана может образовываться металлическая уран-ториевая смесь с однородной структурой.
Характеристики растворимости урана в тории и стабильности размеров топливного материала оказываются взаимосвязанными. Стабильность улучшается при снижении содержания урана. Этот вывод был поддержан результатами ранних внутриреакторных испытаний [11]. Были получены следующие факты:
- большая часть продуктов деления высаживается в металлическом тории, а не в уране;
- мелкодисперсная примесь урана способствует захвату газообразных продуктов деления порами;
- из-за более высокой температуры плавления тория скорость газовой диффузии в нем меньше, чем в уране (т. е. эффект распухания за счет накопления газа меньше). Степень удержания газообразных продуктов деления в Th—U топливе велика до тех пор, пока в нем не образуются значительные трещины.
