В даний час діоксид урану UO2 є найпоширенішим і добре освоєним в промисловому виробництві видом керамічного ядерного палива, використовуваного на АЕС. Це паливо застосовується майже у всіх сучасних водно-охолоджуваних реакторах, включаючи киплячі і важководні, а також реактори БН.
Діоксид урану - речовина темно-коричневого кольору, що володіє високою твердістю і крихкістю. Його важко отримати стехиометрического співвідношення, склад залежно від способу отримання може змінюватися від UO1,8 до UO2,3. тому його іноді виражають формулою UO2 ± х. Відрізняється від інших кисневих сполук урану здатністю випаровуватися без розкладання. При робочих температурах тиск парів низька, при 2360 0 С воно складає близько 1 мм рт. cт.
UO2 - напівпровідник. Температурний коефіцієнт лінійного розширення ...
діоксиду урану дорівнює 9,3 × 10 # 8209; 6 До # 8209; 1 при температурі 293-373 К і різко збільшується із зростанням температури.
Діоксид урану не взаємодіє з водою і лугами, з працею розчиняється в розведених соляний і сарною кислотах, дещо краще - в азотній кислоті і її сумішах з соляною і плавиковою кислотами.
Основні якості двоокису урану, що забезпечують широке застосування в атомній енергетиці, такі:
а) висока температура плавлення (близько 2850 0 С, U - 1135 0 С);
б) не має фазових переходів в інтервалі робочих температур;
в) менш схильний до газового розпухання, ніж металевий уран і його сплави;
г) хімічна стійкість в широкому діапазоні температур по відношенню до речовин, які застосовуються як сповільнювачі і теплоносіїв (вода, водяна пара, вуглекислий газ, рідкий натрій);
д) не взаємодіє з більшістю конструкційних матеріалів (нержавіючої сталлю, цирконієм, ніобієм, алюмінієм, міддю, молібденом та ін.) при високих температурах.
е) можливість отримання високої щільності таблеток (вище 95% теор), що дозволяє забезпечити хороше утримання продуктів поділу;
ж) висока радіаційна стійкість при великих потоках нейтронів (до
10 14. інтегральних
10 22) при температурах, близьких до точки плавлення діоксиду;
з) изотропность діоксиду урану дозволяє також ефективно здійснювати високотемпературний процес спікання.
Ці властивості дозволяють застосовувати діоксид урану в ядерних реакторах, отримуючи високі температури і, отже, високий ККД реактора.
Теплопровідність діоксиду урану знижується також зі збільшенням кисню понад стехіометричного співвідношення (UO2 ± х). При виробництві порошків і спечених таблеток прагнуть до отримання складу, максимально близького до стехіометричної, допускаючи значення х не більше кількох сотих, тому що при опроміненні нестехіометричних сприяє зростанню зерна і виділенню газоподібних продуктів поділу.
Після спікання в атмосфері інертного при 1600-1700 0 С діоксид урану стає більш стійким до окислення на повітрі. Але і цих умовах можуть відбуватися насичення вологою і адсорбційна насичення поверхні киснем повітря. Тому перед укладанням в оболонки готові таблетки з діоксиду урану піддають сушінню, що гарантує видалення вологи і адсорбованого кисню. Залишкові волога і кисень сприяють гідратації і окисленню матеріалу оболонки твела і можуть привести до його руйнування і розгерметизації. При взаємодії з водою стехіометричний склад діоксид урану помітно змінюється, доходячи до UO2,2. що різко зменшує його теплопровідність. Якщо при порушенні герметичності через тріщину в оболонці всередину твела буде просочуватися вода (теплоносій), це може призвести до аварії: локальний перегрів, розпухання і руйнування твела.
До недоліків діоксиду урану, як палива, слід також віднести значний вплив присутнього в ньому кисню на уповільнення швидких нейтронів, що призводить до деякого пом'якшення спектра нейтронів в активній зоні і зниження коефіцієнта відтворення палива.
Діоксид урану застосовується в твелах у вигляді брикетів, таблеток або стерженьков, які отримують холодним пресуванням з наступним спіканням в печі при температурах 1600-1700 0 С в інертному середовищі. Чим вище температура спікання, тим вище точність брикетів. Зараз ведуться дослідження з вібраційного ущільнення гранульованого (
10-100 мкм) порошку діоксиду урану, що засипається в оболонки твелів ( «холодний» процес). При цьому досягається щільність сердечника 9 г / см 3.
У разі застосування твелів з змішаного уран-плутонієвого палива, наприклад, в ВВЕР (до 5% PuO2) або БН (до 15% PuO2) суміш UO2 і PuO2 повинна бути однорідною і переважно бути твердим розчином. Це найкраще досягається спільним осадженням в формі оксалатів, з подальшим прожарюванням одержуваного осаду.
Властивості металевого урану