Тепловыделяющий элемент ядерного реактора (ТВЭЛ), один из основных конструктивных узлов реактора, содержащий ядерное топливо, размещается в активной зоне реактора. В Т. э. протекает ядерная реакция деления топлива, в результате которой выделяется тепло, передаваемое теплоносителю. Т. э. состоит из сердечника и герметизирующей оболочки.
Сердечник Т. э., кроме делящегося вещества (например, 233U, 235U, 239Pu), может содержать «сырьевое» вещество, обеспечивающее воспроизводство ядерного топлива (238U, 232Th). Материал для сердечника может быть получен в виде металла, металлокерамики или керамики. Металлические сердечники изготовляют из чистых урана, тория или плутония или из их сплавов с другими металлами (например, с Al, Zr, Cr, Zn). Металлокерамические сердечники получают, например, из U и Al путём прессования смесей их порошков (опилок, гранул). Керамические сердечники представляют собой спечённые или сплавленные окислы или карбиды (например, UO2, ThC2). Металлокерамические и керамические сердечники, а также сердечники из сплавов наиболее полно отвечают предъявляемым к материалу сердечника высоким требованиям по механической прочности, а также по неизменности физических свойств и геометрических размеров в условиях высоких температур и интенсивного нейтронного и g-излучения. Поскольку, однако, в такого рода сердечниках существ, объём занимает наполнитель (вещество, атомы которого не участвуют в процессе деления и воспроизводства ядерного топлива), то в них используется ядерное топливо с повышенным обогащением (например, с содержанием 235U до 10% и более). Наполнитель, как правило, обладает небольшим сечением поглощения нейтронов, но иногда в материал сердечника включают небольшие добавки металлов, интенсивно поглощающих нейтроны (например, Mo), если это приводит к повышению стойкости сердечника по отношению к тепловым и радиационным воздействиям.
В распространённых энергетических реакторах, работающих на слабообогащённом уране, наиболее часто применяют керамические сердечники из спечённой двуокиси урана, которые не деформируются при глубоком выгорании топлива. К тому же UO2 не реагирует с водой; вследствие этого разгерметизация Т. э. в реакторе с водяным охлаждением не приводит к попаданию урана в теплоноситель.
Герметизирующая оболочка Т. э. обеспечивает надёжное отделение сердечника от теплоносителя. Нарушение её целостности привело бы к попаданию продуктов деления в теплоноситель, его активации и затруднению обслуживания реактора, а кроме того (в ряде случаев), к химической реакции теплоносителя с веществом сердечника и, следовательно, к «размыванию» сердечника и потере им требуемой формы. В силу этих причин к материалу оболочки предъявляют жёсткие требования. Он должен обладать высокой коррозионной, эрозионной и термической стойкостью, высокой механической прочностью и не должен существенно изменять характер поглощения нейтронов в реакторе. Наиболее употребительные материалы для изготовления оболочки — сплавы алюминия и циркония и нержавеющая сталь. Сплавы Al используются в реакторах с температурой активной зоны < 250—270 °С, сплавы Zr — в энергетических реакторах при температурах 350—400 °С, а нержавеющая сталь, которая довольно интенсивно поглощает нейтроны, — в реакторах с температурой >400 °С. В ряде случаев находят применение и др. вещества, например графит высокой плотности.
Для улучшения теплообмена между сердечником и оболочкой осуществляют их диффузионное сцепление (если сердечник металлический) или в зазор между ними вводят газ, хорошо проводящий тепло (например, гелий). Такой зазор необходим, когда материалы сердечника и оболочки имеют существенно разные коэффициенты объёмного расширения.
Конструктивное исполнение Т. э. определяется формой сердечника. Наиболее распространены цилиндрические (стержневые), однако применяются трубчатые, пластинчатые и другие сердечники. Т. э. объединяют в сборки (пакеты, кассеты, блоки) и в таком виде загружают в реактор. В реакторе с твёрдым замедлителем Т. э. или их сборки размещают внутри замедлителя в каналах, по которым протекает теплоноситель. Если замедлитель жидкий и выступает одновременно в роли теплоносителя, то сборки сами являются элементами, направляющими поток жидкости.
Основной показатель работы Т. э. — глубина выгорания топлива в нём; в энергетических реакторах она достигает 30 Мвт сут/т. В энергетических реакторах время работы Т. э. достигает трёх лет. Использованные Т. э. могут быть подвергнуты переработке с целью извлечения из них недогоревшего, а также вновь накопленного ядерного топлива.
Лит. см. при ст. Ядерный реактор.
С. А. Скворцов.