Толщина оксидной плёнки сплава Э-110 не превышает 10 мкм, что позволяет производить тонкостенные твэльные трубки, что, в свою очередь, способствует лучшей теплопередаче и повышению ураноёмкости (таблетки урана несколько большего диаметра). Сплав Э-635 обладает повышенной прочностью и радиационной стойкостью. Этот сплав целесообразно применять в кипящих режимах, что отвечает современной тенденции увеличения единичной мощности энергоблоков, в которых возникает поверхностное кипение (сближение режимов работы ВВЭР и РБМК).

В настоящее время изменение составов используемых сплавов направлены на повышение прочности сплава Э-110 и снижение толщины коррозионной плёнки у сплава Э-635. Составы используемых и модернизированных (опытных) сплавов представлены в табл. 5.

Таблица 5

Номинальные составы используемых и модернизированных сплавов

Типичные размеры твэльных трубок в СССР были следующими: диаметр 13,5 мм; толщина стенки 0,9 мм (РБМК), а также диаметр 9,1 мм; толщина стенки 0,6 мм (ВВЭР). Стенки кассет или каналов имеют толщину до 2 мм.

Значение циркония для ядерной энергетики, для функционирования энергетических реакторов на медленных нейтронах столь велико, что американские учёные на Второй женевской конференции по мирному использованию ядерной энергии назвали его металлом № 2 ядерной энергетики, после урана.

При температуре > 400 °С наблюдается увеличение объёмов металлического урана за счёт образования в нём газовых пузырьков из-за накопления газообразных осколков деления (Xе, Kr). Растворимость Xe и Kr в α-уране ничтожна. Выделяющиеся газы располагаются в микропорах (дефекты структуры), вблизи отдельных дислокаций, по границам зёрен и слоёв металла (особенно в местах случайных включений шлаков, итерметаллидов, карбидов, нитридов и т.п.). Происходит распухание, а затем и газовое разрушение металла. Рост температуры способствует увеличению числа вакансий и пузырьков.

Чтобы свести газовое распухание к минимуму, необходимо удержать газ в большом количестве мелких пузырьков, предотвратить их слияние. Этому способствует легирование урана алюминием, железом, молибденом, ниобием, цирконием, кобальтом. U–Al и U–Mo сплавы нашли достаточно широкое применение при изготовлении твэлов.

Подвержены распуханию и твэлы из диоксида урана (UO₂), однако скорость роста объёма UO₂ в 12 раз меньше, чем для металлического урана. Для некоторого сдерживания распухания оксидного твэла его изготавливают, диспергируя частицы оксида в матрице из нержавеющей стали или алюминия (в последнем случае – для низких рабочих температур).

Совершенствование оксидного уранового топлива в мире идёт по следующим направлениям:

-увеличение размера зерна исходного оксида до 50 мкм с целью снижения газовыделения и повышения пластичности таблетки;

-использование интегрированных в топливо поглотителей нейтронов на основе оксидов гадолиния (ВВЭР) и эрбия (РБМК) для увеличения степени выгорания;

-увеличение диаметра таблетки (в основном, за счёт уменьшения толщины твэльных трубок) и уменьшения центрального отверстия для повышения ураноёмкости тепловыделяющих сборок.

Необходимость экономии нейтронов (предотвращения их захвата без деления) диктует необходимость глубокой очистки урана (или других видов ядерного топлива) от примесей. Для использования в ядерной энергетике требуются ядерно-чистые металлический уран, его оксиды и другие соединения.

Таблица 6