Paliwo jądrowe

pręt paliwowy reaktora typu RBMK

Paliwo jądrowe – substancja zawierająca materiał rozszczepialny wykorzystywana do uzyskiwania energii w reaktorach jądrowych. Zawiera najczęściej wzbogacony uran (tj. uran charakteryzujący się większą od naturalnej względną zawartością izotopu ²³⁵U, mieszczącą się w granicach od kilku do 90%), w różnych formach fizykochemicznych: jako ciało stałe (tlenek, węglik, stop metaliczny, metal; w postaci prętów, pastylek itp.), w postaci ciekłej (jako roztwór siarczanu uranylu lub azotanu uranylu) lub jako gaz (sześciofluorek uranu). Drugim materiałem wykorzystywanym jako paliwo jądrowe jest izotop plutonu ²³⁹Pu. Rodzaj paliwa dopasowany jest do danego typu reaktora. Paliwo powinno składać się z materiałów, które w czasie pracy reaktora nie reagują między sobą ani z chłodziwem.

W czasie eksploatacji paliwa jądrowego w reaktorze wzrasta w nim ilość produktów rozszczepienia i aktywacji, aż do poziomu uniemożliwiającego przebieg reakcji rozszczepienia z odpowiednią wydajnością, wymuszające wymianę paliwa jądrowego. Paliwo jądrowe wydobyte z reaktora nazywa się wypalonym (jest to najbardziej radioaktywna postać paliwa jądrowego), paliwo takie przechowuje się w elektrowni jądrowej, po kilku latach, poddaje się je procesowi oczyszczenia w celu ponownego wykorzystania.

Wysoko wzbogacone paliwo jądrowe, wykorzystywane do produkcji broni jądrowej, nazywane jest jądrowym materiałem wybuchowym.

Rodzaje i formy paliwa jądrowego

• ceramiczne – zawierają związki uranu lub plutonu, czasem z dodatkami materiałów paliworodnych (np. ThO₂); mają temperaturę topnienia wyższą od paliw metalicznych, dobrą odporność na korozję i promieniowanie; do wad należy zaliczyć niską odporność na szok termiczny i słabszą wydajność; stosowane w koszulkach metalowych
  • ceramiczne dyspersyjne – paliwo w postaci matrycy ceramicznej (np. BeO, ZrO₂, a reaktorach termicznych grafit i SiC) z dyspersjami materiału rozszczepialnego; stosowane, gdy wymagana jest wysoka odporność na temperaturę i korozję
  • ceramiczne tlenkowe – zawiera tlenki uranu lub plutonu albo ich mieszaniny, albo dyspersje tychże związków w materiałach ceramicznych; jest to szeroko stosowany typ paliwa, również w reaktorach powielających; ma bardzo dobrą wydajność i odporność na temperaturę
  • ceramiczne węglikowe – składa się z węglików pierwiastków rozszczepialnych (np. UC lub PuC) lub ich dyspersji w materiałach ceramicznych; cechuje je wysokie stężenie materiału rozszczepialnego, bardzo dobra przewodność ciepła, odporność na wysoką temperaturę, promieniowanie i korozję
  • ceramiczne z powłoką grafitową – rodzaj paliwa ceramicznego dodatkowo pokrytego gazoszczelną powłoką pirolitycznego grafitu (o grub. 50–100 μm); powłoki mogą być wielowarstwowe, o różnych właściwościach; elementy paliwowe tego rodzaju mają kształt kulisty; stosuje się je w reaktorach gazowych, wysokotemperaturowych, fluidalnych
• cermetowe (cermetaliczne) – składa się z dyspersji ceramicznych związków materiałów rozszczepialnych w metalach; rodzaj szeroko stosowany; najczęściej występują: UO₂-U, UO₂-Al, UO₂-Zr, UC-Zr, UC-stal nierdzewna, PuO₂-Th, PuO₂-Zr; elementy paliwa cermetowego, zwykle pręty, rury, płyty, mają wysoką dopuszczalną temp. pracy, dobre właściwości cieplne i mechaniczne
  • fibrowe – paliwo cermetowe wytwarzane z włókien i proszków, obrabiane metodami metalurgii proszków. Występuje ono w dwóch kombinacjach: włókna metaliczne z cząstkami ceramicznymi (np. proszek UO₂) lub włókna ceramiczne (np. szkło uranowe) z cząstkami metalicznymi (proszki metali). Zaletą takich paliw jest powiększona wytrzymałość i przewodność ciepła
• ciekłe – paliwo podczas normalnej pracy znajduje się w stanie ciekłym; stosuje się je w reaktorach termicznych i prędkich; charakteryzuje się dużą mocą termiczną na jednostkę objętości, wysoką wydajnością, łatwością przygotowania i przeróbki, możliwość chłodzenia poza reaktorem, ciągłego odprowadzania produktów reakcji rozszczepieniowych; cechy te zostały okupione wadami, które spowodowały, że paliwo ciekłe nie przyjęło się na szerszą skalę: powoduje korozję i erozję urządzeń (aktywne chemicznie produkty rozszczepień), wysoka promieniotwórczość, ograniczony zakres temperatur pracy reaktora. Najczęściej stosowanymi cieczami są:
  • wodne (czasem ciężkiej wody) roztwory soli pierwiastków rozszczepialnych, np. UO₂SO₄-H₂O (D₂O), UO₂(NO₃)₂-H₂O; paliwo takie zachowuje stan ciekły w temp. otoczenia, daje szeroki zakres doboru wymiarów krytycznych reaktora; do wad należą: wydzielanie gazów, radioliza, ograniczona temp. pracy
  • ciekłe stopy uranu lub plutonu, np. U-Bi, Pu-Bi; nie ulega ono uszkodzeniom radiacyjnym, ale ma wysoką temp. topnienia oraz wytwarza gazowy ²¹⁶Po
  • stopione sole fluorków uranu lub plutonu, np. UF₄+ThF₄+BeF₂ lub UF₄+ZrF₄+NaF; ma silne właściwości korodujące i wysoką temperaturę topnienia
  • trwałe zawiesiny w wodzie lub ciekłym metalu, np. UO₂-H₂O (D₂O), PuO₂-H₂O (D₂O), UO₂+ThO₂-Na (NaK), UBi₂-Bi; zawiesiny takie są niestabilne w wysokich temperaturach i mają skłonności do tworzenia osadów
• fluidalne – eksperymentalne paliwo wysokotemperaturowe; zawiesina cząstek materiału rozszczepialnego (w postaci ciała stałego, np. tlenki lub węgliki w kulistych otoczkach grafitowych lub metalicznych, służących za moderator) w gazie o właściwościach cieczy (np. CO₂, He); ma ono bardzo dobre właściwości cieplne
• gazowe – paliwo, które w normalnych warunkach pracy reaktora ma postać gazową; paliwem gazowym jest UF₆ (jedyny znany lotny związek uranu) lub jego mieszaniny. Paliwo gazowe prosto się wytwarza i przerabia, ładuje i wyładowuje; może też być jednocześnie chłodziwem i czynnikiem roboczym; za jego wady odpowiada głównie fluor: aktywność chemiczna, toksyczność, niestabilność chemiczna w warunkach reaktorowych
• metaliczne – materiał rozszczepialny jest metalem, stopem, albo dyspersją metalu w innym metalu; może występować w formie stałej lub ciekłej; zalety: duża przewodność cieplna, odporność na uderzenia cieplne. Wady: niska temperatura topnienia, zmiana właściwości przy przejściu fazowym
• naturalne – najtańsze i najprostsze z paliw jądrowych; stanowi je naturalny uran, czyli zawierający 0,7% rozszczepialnego uranu-235; mimo znacznej masy krytycznej stosuje się je w reaktorach energetycznych chłodzonych gazem i moderowanych wodą ciężką lub grafitem.

TRISO

Pastylka paliwa z granulami TRISO.

Paliwo TRISO (tristructural-isotropic, czyli izotropowe trójwarstwowe), to rodzaj paliwa ceramicznego z powłoką. Ma formę granul o średnicy 0,5 - 1 mm. Jądro granuli, o średnicy od 0,035 - 0,5 mm, tworzy materiał rozszczepialny (UC, UCO, UO₂, PuO₂ lub paliworodny tor). Otoczone jest buforem z porowatego węgla, a następnie trzema warstwami: węgla pirolitycznego, ceramicznego węgliku krzemu i zewnętrznej warstwy węgla pirolitycznego. Warstwa węgliku krzemu nadaje granulom odpowiednią twardość i stanowi jedną z barier ochronnych.

Dzięki budowie i wykorzystanym materiałów jest odporne na zjawiska zagrażające tradycyjnym prętom paliwowym - rozszerzalność termiczna, ciśnienie gazowych produktów rozszczepienia, temperatury powyżej 1600 °C. W 2013 roku zespół naukowców Idaho National Laboratory i Oak Ridge National Laboratory wytworzyli ziarna paliwa TRISO odporne na temperaturę 1800 °C. Paliwo pozwala także osiągać wysokie stopnie wypalenia, do 19%.

Paliwo TRISO przeznaczone jest do użytku w wysokotemperaturowych reaktorach chłodzonych gazem (HTGR) i VHTR, takich jak reaktory PBR. Granule paliwa są umieszczane w postaci dyspersji w ziarnach lub blokach grafitu.

Paliwo typu TRISO zostało opracowane w 1961 w ramach brytyjskiego projektu Dragon i tam pierwszy raz użyte. Wykorzystane zostało też w reaktorach eksperymentalnych HTR-10 (Chiny) i HTTR (Japonia).