Paliwo jądrowe

Generalnie paliwo jądrowe tworzą trzy materiały:

• materiał rozszczepialny, czyli substancja, której jądra atomowe w reaktorze jądrowym, pod wpływem zderzeń z neutronami prędkimi lub spowolnionymi, zdolne są do rozszczepienia z wydzieleniem energii wraz z jednoczesną emisją kilku nowych neutronów. Materiał rozszczepialny użyty w odpowiedniej masie i w odpowiednim układzie fizycznym tworzy masę krytyczną, to jest masę, w której przebiega samorzutnie reakcja łańcuchowa rozszczepienia jądra. Tylko cztery izotopy zaliczamy do materiałów rozszczepialnych: U-233, U-235, Pu-239, Pu-241;
• materiał paliworodny, czyli substancja, której jądra w odpowiednich warunkach reagują z neutronami i po kilku przemianach promieniotwórczych przekształcają się w jądra materiału rozszczepialnego. Materiał paliworodny może w niektórych przypadkach ulegać również rozszczepieniu z wydzieleniem energii i kilku neutronów, nie jest jednak w stanie w żadnym przypadku stworzyć układu krytycznego. Do materiałów paliworodnych zalicza się: Th-232, U-238, Pu-240;
• materiał paliwonośny, czyli substancja, której jądra atomowe praktycznie ulegają tylko w nieznacznej mierze reakcjom z neutronami, przy czym reakcje te nigdy nie prowadzą ani do rozszczepienia, ani do powstania jądra cięższego, zdolnego do rozszczepienia. Jest to więc substancja, z punktu widzenia energii jądrowej, nieczynna. Materiał paliwonośny stanowi często środowisko, w którym znajduje się materiał rozszczepialny lub materiał paliworodny. Materiał paliwonośny może występować w postaci stałej lub ciekłej. Materiał paliwonośny może spełniać jeszcze inną rolę w reaktorze, może na przykład być moderatorem lub chłodziwem, o czym przeczytać można poniżej;

i występuje w dwóch postaciach:

• w postaci stałej, np. jako metale czyste (np. uran metaliczny), stopy metaliczne (np. stop uran-cyrkon), związki chemiczne (np. spiekany dwutlenek uranu), metal w metalu paliwonośnym (np. metaliczny uran sproszkowany w matrycy glinowej), związki chemiczne w metalu paliwonośnym (np. dwutlenek uranu w matrycy ze stali kwasoodpornej), związki chemiczne w związkach chemicznych paliwonośnych (np. dwutlenek uranu w dwutlenku toru);
• w postaci ciekłej, np. roztwory w wodzie (np. siarczan uranylu w wodzie), sole (np. stopione fluorki uranu), stopione metale lub stopy metaliczne (np. ciekły pluton, ciekły stop Pu-Fe), zawiesina w cieczy paliwonośnej (np. dwutlenek uranu w wodzie), zawiesina w stopionych metalach (np. dwutlenek uranu w ciekłym sodzie).

Wymogi stawiane paliwu jądrowemu są bardzo różnorodne i często nie dające się ze sobą pogodzić. Zatem wybór konkretnego paliwa jądrowego jest zwykle wynikiem pewnego kompromisu pomiędzy wymogami.

Paliwo jądrowe stałe powinno:

• mieć bardzo duże prawdopodobieństwo zajścia reakcji rozszczepienia po pochłonięciu neutronu przez jądro atomu;
• być odporne na naprężenia termiczne, wywołane różnicą temperatury pomiędzy środkiem a zewnętrzną powierzchnią pastylki paliwowej;
• być odporne na zmiany temperatury;
• być odporne na promieniowanie jonizujące, wykazywać stabilność wymiarów i dobre własności mechaniczne w warunkach napromieniowywania;
• posiadać dobre warunki przenoszenia ciepła, tzn. wysoki współczynnik przewodzenia ciepła;
• być odporne na korozję w zetknięciu z chłodziwem.

Pręty paliwowe

Pręty paliwowe są metalowymi rurami, często wykonanymi ze stopów cyrkonu, takimi jak Zircaloy, ZIRLO czy M5. W dzisiejszych reaktorach energetycznych pręty mogą mieć około 4 metrów długości przy średnicy zewnętrznej około 10 milimetrów i grubości ścian około jednego milimetra. Aby uniknąć  przesunięć pastylek wewnątrz koszulki podczas manipulacji, instaluje się w pręcie sprężynę stalową, naciskającą na górną powierzchnię stosu pastylek. Również dzięki temu tworzy się miejsce dla gazowych i lotnych produktów rozszczepienia, które powstają podczas pracy reaktora. Pręty paliwowe umieszczane są w zestawach zwanych kasetami paliwowymi.

Kasety paliwowe

Pręty paliwowe umieszczane są w zestawach zwanych kasetami paliwowymi. Rdzeń reaktora PWR składa się ze 100-200 identycznych geometrycznie i mechanicznie kaset paliwowych utrzymywanych na miejscu przez struktury nośne rdzenia. Kaseta paliwowa składa się z: paliwa w postaci pastylek, koszulki formującej pręt paliwowy, elementów konstrukcyjnych – sprężyn, korków, podkładek, siatek dystansujących prowadnic prętów regulacyjnych, głowicy.