Ядерное топливо представляет собой вещества, способные поддерживать цепную реакцию деления атомных ядер, высвобождающую значительное количество энергии. Основу современного ядерного топлива составляют тяжелые изотопы урана, плутония и тория. Энергия, выделяемая при делении ядер, используется для производства тепла и последующего преобразования его в электрическую энергию на атомных электростанциях.
Уран является наиболее распространенным элементом для производства ядерного топлива. Природный уран содержит около 0,7 % изотопа U-235, способного к делению, и 99,3 % изотопа U-238. Для реакторов легководного типа требуется обогащение урана до 3–5 % содержания U-235.
Торий (Th-232) используется как альтернативное топливо. В реакторах на тории он превращается в делящийся изотоп U-233 через β‑распад, что делает возможным его применение в закрытых топливных циклах.
Плутоний (Pu-239, Pu-241) образуется в реакторах в результате нейтронного облучения U-238. Плутоний используется как компонент MOX-топлива (Mixed Oxide Fuel), которое комбинирует оксиды урана и плутония, увеличивая эффективность использования ядерного материала.
Формы топлива включают:
Ядерное топливо должно обладать высокой плотностью материала, стабильностью при высоких температурах и сопротивляемостью радиационному воздействию. Оксид урана отличается высокой термостойкостью и химической инертностью, что делает его основным выбором для водоохлаждаемых реакторов. Металлическое топливо, например U‑Mo или U‑Zr, применяется в исследовательских реакторах и быстрых реакторах из-за высокой теплопроводности и более высокой плотности делящихся изотопов.
Требования к топливу включают:
Процесс изготовления топлива начинается с обогащения урана или химической подготовки тория. Далее следует синтез топливных таблеток, обычно методом прессования порошка оксидов с последующим спеканием при высоких температурах (1400–1700 °C).
После формирования таблеток они загружаются в металлические оболочки с герметизацией. Качество сварки и герметичность оболочки критичны для предотвращения утечки радиоактивных продуктов. Сборка топливных элементов включает укладку стержней в конструкцию, обеспечивающую оптимальное размещение для поддержания цепной реакции и эффективного охлаждения.
Основным источником энергии являются делящиеся изотопы, такие как U-235 и Pu-239. При делении ядра выделяется около 200 МэВ на атом, что соответствует миллионам раз больше энергии на массу по сравнению с химическими реакциями.
Распад урана и плутония сопровождается выделением нейтронов, которые инициируют цепную реакцию, а также гамма-излучением и бета-частицами. Продукты деления включают более легкие ядра с высокой радиоактивностью, что требует специальных мер безопасности при обращении и переработке топлива.
Открытый цикл подразумевает одноразовое использование топлива с последующей его переработкой как радиоактивных отходов.
Закрытый цикл включает переработку отработанного топлива для извлечения плутония и оставшегося урана, что позволяет повторно использовать материалы в MOX-топливе или ториевых реакторах.
Эффективное использование топлива связано с контролем облученности, выгорания изотопов и управлением концентрацией поглотителей нейтронов.
Разрабатываются новые материалы для повышения энергоэффективности и безопасности:
Применение таких топливных систем открывает путь к снижению объемов высокоактивных отходов и увеличению безопасности эксплуатации реакторов, а также к более рациональному использованию ядерных ресурсов.