Тип ядерного реактора и его эксплуатационные параметры, такие как энергия нейтронов, распределение и интенсивность нейтронного поля в объеме активной зоны, температура, скорость и состав теплоносителя, во многом определяют круг материаловедческих и других проблем, встающих при разработке конструкции и технологии изготовления твэлов.
В табл. 1.1 приведен температурный диапазон работы материалов различных типов реакторов. Видно, что в зависимости от назначения реактора и используемого теплоносителя резко меняются эксплуатационные температуры ядерного топлива и конструкционных материалов.
Таблица 1.1. Температурный диапазон работы материалов для различных типов реакторов
Твэл работает в очень тяжелых условиях. На него действуют мощные потоки быстрых и тепловых нейтронов, отличающиеся неравномерностью; при передаче больших тепловых потоков в оболочке возникают значительные термические напряжения; вода высоких параметров оказывает коррозионное и эрозионное воздействие на оболочку, еще сильнее коррозионное воздействие воды в состоянии кипения : на стенках твэлов осаждаются соли, повышающие температуру и ускоряющие коррозию; в жидких металлах и сплавах наблюдается нежелательное явление — перенос массы (высаживание металлов и их соединений на холодных участках); органические теплоносители, полимеризуясь, образуют осадки на оболочках твэлов; при распухании твэла возникают дополнительные тангенциальные напряжения в оболочке; все это отрицательно влияет на работу твэла при длительной эксплуатации.
Работоспособность твэла в реакторе определяется тремя факторами: конструкцией, качеством изготовления и режимом эксплуатации активной зоны.
Обычно конструкторские разработки твэлов начинают после предварительного расчета реактора, когда определена загрузка топлива. Основными характеристиками всего многообразия форм твэлов, конструкций ТВС и их числа являются активный объем, занимаемый топливом, и поверхность твэла, которые обеспечивают возможную загрузку реактора ядерным топливом и отвод тепла. Соотношение этих величин, по-видимому, является наиболее верным критерием сравнения различных типов конструкций твэлов и ТВС. Это соотношение для твэлов и ТВС должно быть оптимальным, поскольку желание развить поверхность теплосъема неизбежно приводит к сокращению активного объема твэла, повышению обогащения топлива и увеличению массы конструкционных материалов и топлива в АЗ; наоборот, желание увеличить активный объем приводит к сокращению поверхности теплосъема, значительному повышению максимальной температуры твэла, уменьшению надежности работы твэлов при заданной мощности.
В процессе проектирования, учитывая опыт эксплуатации известных конструкций, можно ориентировочно определить близко к реальным условиям рабочие температуры твэлов, термические и другие напряжения в них, прочностные запасы конструкционных материалов, теплофизические и гидравлические характеристики ТВС и максимально возможные величины теплосъема. Полученные данные используются для проведения детального физического расчета, проверяемого физическим экспериментом, окончательного выбора типа твэлов, уточнения конструкции и технологии изготовления.
Самую большую трудность при конструировании ТВС представляет такое дистанционирование твэлов в ней, при котором ТВС одновременно удовлетворяет механическим (прочность конструкции), гидродинамическим (малое сопротивление и равномерное охлаждение твэлов), теплотехническим и другим требованиям. Следует обеспечивать свободное передвижение твэлов в ТВС при их тепловом расширении, а также предотвращать механическое воздействие на твэлы со стороны кожуха и крепежных деталей ТВС.
Рассматривая требования, предъявляемые к твэлам, необходимо сразу оговорить два из них, вытекающие из задачи создания определенной АЗ: во-первых, в твэле должно содержаться столько ядерного топлива, сколько необходимо на всю расчетную кампанию, и во-вторых, твэл должен надежно работать всю кампанию
и выдерживать расчетные выгорания топлива без разрушения оболочки. В нейтронном поле при длительной эксплуатации возможно значительное изменение физико-химических свойств материалов; в связи с этим требуются тонкие металловедческие исследования облученных материалов на совместимость, так как последняя по существу определяет предельную рабочую температуру и методы изготовления. Помимо того, что конструкционные материалы должны иметь минимальное сечение захвата нейтронов, они должны быть коррозионно- и эрозионностойкими; продукты коррозии следует оценивать исходя из их ядерной активности и безопасности при эксплуатации реактора, например наличие кобальта и других высокоактивных элементов с большим периодом полураспада нежелательно. Конструкция и выбранные материалы должны быть механически прочными, чтобы сохранять форму, размеры и герметичность в течение всего периода работы твэла. Технология изготовления помимо экономичности должна обеспечивать высокое качество твэла (требуемые размеры и форму, равномерное распределение топлива, хорошую герметизацию) и надежный приборный контроль. Следует помнить и о регенерации отработавших твэлов с целью возвращения ядерного топлива, поэтому материалы твэла должны соответствовать технологическим условиям процессов переработки.
Таблица 1.2. Химические соединения, которые могут рассматриваться как ядерное топливо
* Температура разупрочнения. ** Температура перитектической реакции. *** Температура распада. у
— 
Создание надежных, работоспособных зон с большими плотностями энерговыделения при высоких уровнях температур и эффективное использование ядерного топлива сопряжены с большими трудностями. С одной стороны, материал топлива должен иметь максимально возможную концентрацию делящегося нуклида в единице объема (табл. 1.2), с другой — топливный сердечник должен сохранять стабильность размеров и химического состава под облучением, а максимальная рабочая температура должна быть значительно ниже температуры плавления и фазовых превращений, если таковые имеются. С учетом этих требований становится невозможным использование чистого металлического плутония, не говоря уже о его токсичности и высокой химической активности. Предотвращение больших перепадов температур по сечению твэла достигается использованием материалов с хорошей теплопроводностью; однако выполнение других требований приводит к использованию материала с меньшей теплопроводностью; так, если в начале реакторостроения использовали металлический уран или его сплавы, то в последнее десятилетие во всех типах реакторов широко применяют спеченную двуокись урана, хотя ее теплопроводность в 5—8 раз меньше (рис. 1.13); спеченная двуокись урана отличается инертностью к воде высоких параметров и стойкостью в газах (CO2, Н2 и др.), совместима со многими металлическими матрицами, имеет высокую температуру плавления, изоморфность решеток UO2, PuO2 и ThO2 позволяет сочетать в твэле быстрых реакторов делящийся и воспроизводящий материалы.
Рис. 1.13. Температурная зависимость коэффициента теплопроводности (в объемных долях):
В последнее время все больше внимания уделяется топливу на основе карбидов и нитридов; так, UC содержит урана в единице объема на 30% больше, чем UO2, а теплопроводность его на порядок выше. Нитрид урана (UN) обладает еще большей ураноемкостью, теплопроводность растет с температурой и достигает 21— 26 Вт/(м-К) при 800—1000°С; мононитрид урана слабо реагирует с водой, непирофорен, его можно хранить и обрабатывать даже во влажном воздухе, последние свойства выгодно отличают его от карбида урана.
Изоморфность решеток UO, UC, UN, PuC и PuN позволяет надеяться на получение устойчивых сложных соединений, таких как карбонитриды и оксикарбонитриды урана и плутония, которые будут использованы в качестве ядерного топлива.
Химическая устойчивость по отношению к воздуху, парам воды, материалам оболочки, матрицы и теплоносителя является одним из основных требований к топливным материалам, так как отсутствие заметного взаимодействия определяет работоспособность большинства твэлов энергетических и других реакторов.
Рис. 1.14. Температурная зависимость энергии Гиббса некоторых реакций: 
Химическая устойчивость и совместимость топлива с другим материалом, например оболочки, определяется изменением энергии Гиббса всей системы в целом, включая продукты возможных реакций. Данные о некоторых таких реакциях, представляющих интерес с точки зрения применимости рассматриваемых материалов, приведены на рис. 1.14. Иногда могут быть использованы топливные композиции, не являющиеся термодинамически устойчивыми, например UO2 — Mg или UO2 — А1, однако устойчивость таких композиций в реакторных условиях требует особенно тщательной экспериментальной проверки, поскольку облучение может ускорять диффузионные процессы взаимодействия.
При нарушении герметичности твэлов особую остроту приобретают вопросы взаимодействия топлива с теплоносителем, которым могут служить вода, жидкие металлы, газы или органические соединения.
