433 3

11.3. ZASADA DZIAŁANIA I BUDOWA REAKTORÓW

problemy związane z budową elementów paliwowych. Anizotropia właściwości fizycznych uranu jest przyczyną jego wydłużania i pęcznienia pod wpływem napromieniowania, a jednocześnie twardnienia i zwiększenia kruchości. Uran reaguje chemicznie z wodorem, powstającym w wyniku radiolizy wody chłodzącej reaktor. W warunkach normalnej eksploatacji uranu nie przekracza się temperatury 620°C.

Najczęściej stosowanym obecnie paliwem jądrowym jest dwutlenek uranu U0₂, który ma niezmienną strukturę krystaliczną w zakresie do temperatury topnienia 2800°C, jest obojętny względem czynników chłodzących stosowanych w reaktorach energetycznych oraz odporny na uszkodzenia radiacyjne. Wadą jest mały (5 h- 10 razy mniejszy niż dla uranu naturalnego) współczynnik przewodności cieplnej, co jest przyczyną występowania dużych gradientów temperatury, a w wyniku tego znacznych naprężeń powodujących pęknięcia.

Węgliki uranu nie znalazły dotychczas szerszego zastosowania (poza reaktorami wysokotemperaturowymi). Związki UC i UC₂ charakteryzują się większą niż U0₂ przewodnością cieplną. Wadą jest łatwość reakcji z wodą. Przewiduje się szersze zastosowanie węglików uranu w reaktorach powielających na neutronach prędkich ze względu na większe współczynniki powielania.

Elementy paliwowe reaktorów zawierają materiał rozszczepialny w postaci pastylek umieszczonych w cienkościennych rurkach o średnicy 8^-12 mm, wykonanych z materiału słabo pochłaniającego neutrony. Rurkę oddzielającą pastylki paliwa od czynnika chłodzącego nazywa się koszulką. Materiał na koszulki powinien być nieprzepuszczalny dla produktów rozszczepienia, odporny na uszkodzenia radiacyjne, wytrzymały mechanicznie, a ponadto powinien mieć dobrą przewodność cieplną. Powinien być także odporny na korozję oraz nie wchodzić w reakcje z paliwem i chłodziwem. Wymagania te spełniają: cyrkon i jego stopy oznaczane symbolami Zircaloy 2 i Zircaloy 4, stopy magnezu (Magnoks) oraz stal austenityczna o dużej zawartości niklu. Koszulki paliwowe stanowią pierwszą barierę uniemożliwiającą wydostanie się na zewnątrz promieniotwórczych produktów rozszczepienia, dlatego bardzo istotny jest dobór materiałów i rozwiązanie konstrukcyjne koszulek.

Elementy paliwowe mają długości dochodzące do kilku metrów, dlatego ze względów konstrukcyjnych oraz w celu ułatwienia manipulacji paliwem są one zgrupowane w liczbie od kilkudziesięciu do kilkuset prętów w sztywnym pojemniku, tzw. kasecie paliwowej (rys. 11.5). Zestaw kilkuset kaset o przekroju najczęściej sześciokątnym lub kwadratowym tworzy rdzeń reaktora. Między elementami paliwowymi w kasecie lub między kasetami są kanały dla przepływu czynnika chłodzącego. W części kaset są umieszczone ruchome (dające się wysuwać) zestawy prętów sterujących i regulacyjnych.

Zadaniem moderatora (spowalniacza) jest zmniejszenie energii neutronów (neutrony powstające przy rozszczepieniu są neutronami prędkimi) do energii termicznej. Funkcję moderatora spełniają pierwiastki o małej liczbie atomowej i dużym przekroju czynnym na rozpraszanie neutronów o_s. Wskazane jest jednocześnie, aby moderator miał mały przekrój czynny na pochłanianie neutronów.

433