Твэлами дисперсионного типа называют такие, в сердечнике которых топливосодержащее соединение находится в виде частиц, равномерно распределенных в непрерывной матрице из неделящегося материала. Сердечники твэлов дисперсионного типа представляют собой композиции ядерного топлива в виде делящихся материалов (233U., 235U, 239Pu) или их химических соединений и матрицы из металлов, сплавов, керамики, графита и других неделящихся материалов, а также 238U, 232Th или их сплавов и соединений.
Дисперсионный твэл сочетает в себе прочность керамического топлива с пластичностью матрицы и ее хорошими ядерно-физичсскими и антикоррозионными свойствами, теплопроводностью и т. д. Процессы деления, происходящие в ядерном топливе, и сопутствующие им повреждения сосредоточиваются почти полностью в топливной частице, окруженной матрицей. Однако часть матрицы, соприкасающаяся с ядерным топливом, подвержена действию осколков деления. Для предварительного анализа радиационной стойкости твэлов дисперсионного типа можно предположить, что глубина проникновения продуктов деления в материал матрицы %т определяется только энергией, приобретенной ими во вре
мя акта деления. Толщина шарового слоя поврежденной матрицы, окружающего топливную частицу, равна длине пробега осколков деления в материале матрицы. Усредненные значения длин свободных пробегов продуктов деления (для упрощения полагают их одинаковыми для тяжелых и легких осколков деления) характеризуются значениями, приведенными ниже:
U....................................................................... 6,8*10-6 м
UO2..................................................................... 9,4*10-6 м
Zr....................................................................... 9*10-6 м
Fe....................................................................... 6,7*10-6 м
М........................................................................ 13,7*10-6 м
Предположение об образовании вокруг топливной частицы «пояса порчи» подтверждается хорошим соответствием расчетных и экспериментальных данных; так, среднее значение толщины поврежденного слоя композиции UO2 — нержавеющая сталь (облучение при 500°С, выгорание 30%), определенное экспериментально, составляет 5,5-10-6 м, значение толщины слоя, полученное расчетным путем, составляет 6,6 -10-6 м.
Таким образом, материал матрицы можно рассматривать как состоящий из двух частей: неповрежденной и поврежденной. Необходимым условием сохранения первоначальных свойств матрицы является непрерывность се неповрежденной части, т. е. расстояние между частицами d должно быть таким, чтобы отсутствовало касание или перекрывание поврежденных шаровых слоев. Это расстояние зависит от объемной доли топливной фазы V/ и размера частиц. Для г. ц. к.-расположения топливных частиц предложена следующая зависимость, связывающая эти параметры:
(4.1)
В общем случае расстояние между частицами рассматривают как состоящее из двух участков: повреждаемого Кт н неповреждаемого df:
d = d'+ 2Хт. (4.2)
Для оценки радиационной стойкости дисперсионных композиций более показательно отношение d'/(2km)
Рис. 4.1. Соотношение между диаметром частиц и долей осколков деления, покидающих сферическую частицу
(4.3)
При конструировании твэлов необходимо сохранять от повреждения максимально возможный объем матрицы; в этих целях удобно использовать понятие относительного объема неповреждаемой части матрицы; он определяется как [1—VdmJVm], где Vdm — поврежденный объем; Vm — полный объем матрицы.
Степень повреждения матричного материала зависит от способности топливных частиц удерживать в себе продукты деления. Эта способность определяется не только физической природой топливного материала, но размером частиц и средним значением свободного пробега осколков деления в топливе. Степень повреждения шарового пояса матричного материала, окружающего топливную частицу, можно охарактеризовать долей осколков деления, покидающих ее, Ра. С увеличением диаметра топливных частиц D и с уменьшением среднего свободного пробега осколков деления Xf в топливе, доля осколков, проникающих в материал матрицы, уменьшается:
(4.4)
Это уравнение справедливо при значениях
Все осколки деления покидают частицу, диаметр которой равен среднему свободному пробегу осколка в топливном материале (D/2X/ = 0,5) или меньше.
На рис. 4.1 показана зависимость доли осколков деления, вылетающих из частиц в матрицу, от диаметра частицы. Видно, что средняя концентрация осколков деления в матрице уменьшается с увеличением диаметра топливной частицы.
Дисперсионные твэлы классифицируют по составу сердечника, т. е. по составу матрицы и топливной фазы; возможные составы дисперсионного твэла схематически показаны на рис. 4.2.
Рис. 4.2. Схематическое изображение возможного состава сердечника и оболочки дисперсионного элемента
Начало изучению и широкому применению как отечественных, так и зарубежных твэлов дисперсионного типа было положено при создании активных зон исследовательских и транспортных ядерных реакторов, а также энергетических высокотемпературных газовых реакторов, работающих на прямом газотурбинном цикле.
В транспортных ядерно-энергетических установках применение твэлов дисперсионного типа позволяет обеспечить такие особенно важные требования, как повышенная надежность и безопасность обслуживающего персонала при минимальных весовых характеристиках реактора.
