Регулируемата верижна реакция на делене на ядрата се осъществява в активната зона на реактора, където е концентрирано ядреното гориво. То се намира в определена геометрична форма под формата на касети, съдържащи топлоотделящите елементи (ТОЕ). Всяка касета може да бъде поставяна, изваждана и заменяна с друга поотделно.
Касетите и ТОЕ трябва да отговарят на редица изисквания:
· достатъчна здравина, устойчивост на формата и размерите през целия период на работа. Нарушаването на това изискване (например поради радиационно разбухване на горивото) може да доведе до нарушение на топлоотвеждането, прегряване на ТОЕ, загуба на херметичност и излизане на продукти на деленето в топлоносителя;
· използуваните в ТОЕ материали (гориво, обвивка, пълнители и др.) трябва да са съвместими химически и дифузионно стабилни при работните условия в активната зона. Материалът на външната обвивка трябва да е слаборазтворим в топлоносителя и да има висока корозионна устойчивост;
· трябва да се изключи възможността за появяване на локално прегряване на обвивката на ТОЕ, което се постига с предвиждане на конструктивни хлабини между горивните елементи и обвивката. Тъй като тези хлабини намаляват топлообмена между горивния елемент и обвивката, те се запълват с газ с висока топлопроводност (хелий);
· конструктивните материали на ТОЕ трябва да имат минимално сечение за залавяне на неутрони;
· конструкцията и материалите на ТОЕ трябва да позволяват относително проста и евтина технология за радиохимична преработка на изгорелите ТОЕ.
Понастоящем най-разпространеният материал за производство на ядрено гориво е урановият диоксид UO2. Такова гориво под формата на керамика се използува във всички съвременни реактори с водно охлаждане, включително в кипящите и тежководните.
Основните свойства на урановия диоксид, които го правят широкоизползваем, са:
· висока температура на топене (почти 2800 0С);
· химична устойчивост в широк диапазон от температури спрямо различни забавители и топлоносители (вода, водна пара, въглероден диоксид, натрий);
· добра съвместимост с различни материали на обвивките (неръждаема стомана, циркониеви сплави, графит, Al, Ni, Mo, Nb);
· възможност за получаване на висока плътност при пресоване на таблетки, което осигурява добро удържане на продуктите на делене;
· приемлива радиационна устойчивост при големи неутронни потоци и високи температури. Това е следствие от изотропността на структурата.
Същевременно UO2 има един сериозен недостатък - много малката топлопроводност, която рязко намалява с увеличаване на температурата. Това води до големи температурни градиенти в радиално направление на горивните таблетки (от центъра към периферията). Те достигат до 500 0С/mm. Освен това UO2 е хигроскопичен и лесно се окислява на въздуха дори при стайна температура.
Урановият диоксид се използува в ТОЕ под формата на таблетки, които се получават чрез студено пресоване при налягане 150-200MPa. Получените таблетки се изпичат при температура 1600-1700 0С в безкислородна атмосфера. Колкото е по-висока температурата на изпичане, толкова е по-висока плътността на горивните таблетки. Обикновено тя е в границите на 10.4-10.6 g/cm3, т.е. 95-97% от теоретичната.
Типичната форма на таблетките е цилиндрична с радиус 3-6mm и височина 10-12mm. След произвеждането им те се подлагат на извънредно стриктен контрол за плътност и здравина. Трябва да се има предвид, че качеството на горивните таблетки (и на ТОЕ като цяло) е основният фактор за количеството на радиоактивните емисии в първия кръг на ЕЦ в процеса на нормална експлоатация.