Анализ специфических свойств материалов при выборе их для ядерного р.

Ядерные свойства материалов.

Нейтроны играют важную роль в ядерном реакторе деления. К ядерным свойствам относятся главным образом характеристики поглощения нейтронов при делении и при захвате и характеристики их рассеяния или столкновения. Вероятность поглощения или рассеяния нейтронов описывается сечением поглощения и сечением рассеяния соответственно. К ядерным свойствам материалов различных элементов ядерных элементов ядерных реакторов деления, т.е. к материалам топлива, конструкционным материалам, материалам замедлителя, отражателя, зоны воспроизводства, теплоносителя, защиты и системы регулирования, предъявляются разные требования. Например, в целях экономики нейтронов конструкционные материалы должны иметь небольшое сечение поглощения нейтронов.

Наведенная радиоактивность.

Поглощение тепловых или быстрых нейтронов материалом ядерного реактора может привести к ядерным превращениям и привести к образованию новых (стабильных или радиоактивных) нуклидов. Излучение (α и β-частиц, γ-квантов и т.д.), обусловленное ядерными превращениями и образованием нуклидов, определяется термином наведенная радиоактивность. Желательно, наведенная радиоактивность характеризовалась небольшим периодом полураспада и низкой энергией излучения. В случае образования радиоактивных долгоживущих нуклидов с высокой энергией γ-излучения могут возникнуть проблемы при обслуживании, ремонте и проверке оборудования и выполнении экспериментальных исследований в условиях интенсивного излучения [47].

Наведенная радиоактивность может приводить к выделению тепла при распаде (в дополнение к теплу, выделяющемуся в процессе облучения) в корпусе ядерного реактора деления и в стенке вакуумной камеры или в первой стенке термоядерного реактора. Тепло, выделяющиеся при распаде, можно использовать в качестве полезного источника в радионуклидном генераторе энергии, однако для первой стенки термоядерного реактора оно нежелательно.

Радиационная стабильность, химическое взаимодействие и взаимная диффузия.

Осколки деления и нейтроны оказывают наибольшее влияние на изменение свойств материалов в процессе их облучения в ядерном реакторе. Осколки деления обладают очень высокой энергией, но малой длинной пробега, и поэтому физические изменения, обусловленные действием осколков деления, сосредоточены главным образом в материале ядерного топлива. В результате большинство радиационных эффектов или радиационных повреждений в реакторных материалах возникает вследствие бомбардировки материалов нейтронами и особенно быстрыми нейтронами.

К основным радиационным эффектам в топливных материалах относят радиационный рост, рост при термическомциклировании, радиационное распухание и радиационная ползучесть [2]. Что касается конструкционных материалов, то влияние облучения на них в основном проявляется при растрескивании и усталости при термическом циклировании, радиационном распухании и радиационной ползучести. Радиационное распухание, радиационная ползучесть, а также растрескивание и усталость при термическомциклировании могут лимитировать радиационную стабильность топливных и конструкционных материалов [41].

В процессе послереакторного исследования образцов твэлов, облученных при высоких температурах (температура наружной поверхности оболочки более 500 ºС, температура оксидного топлива более 1500 ºС), часто наблюдается химические взаимодействия и взаимная диффузия между топливом и оболочкой. При наличии высоких кислородных потенциалов, адсорбированных газовых примесей и газообразных продуктов деления оксидное топливо низкой плотности более чувствительно к химическому и взаимной диффузии между топливом и оболочкой, чем оксидное топливо высокой плотности при тех же или эквивалентных условиях эксплуатации. Этот факт может иметь существенное значение, когда дело касается коэффициентов теплопроводности или теплопередачи в зазоре между топливом и оболочкой. Такую зависимость можно объяснить тем, что межкристаллическое взаимодействие, по-видимому, связано с механизмом переноса в паровой фазе, скорость которого увеличивается с повышением температуры топлива и увеличением числа открытых пор. Продукты деления (Cs, Cd, Mo, Zr и т.д.) диффундируют из внешней зоны топливных таблеток в прилегающую оболочку, тогда как элементы материала оболочки (аустенитная нержавеющая сталь для твэлов быстрых реакторов – размножителей с жидкометллическим теплоносителем) диффундируют к поверхности топливных таблеток. Аналогичное химическое взаимодействие и взаимную диффузию можно обнаружить и в облученных твэлах исследовательских и легководных энергетических реакторов.

Химические взаимодействия и взаимная диффузия, как правило, приводят к ухудшению конструкционной прочности и радиационной стабильности твэлов, которые в течение всего срока службы облучаются при высоких температурах.

Возможность переработки топлива.

Ядерное топливо, используемое в исследовательском или энергетическом реакторе, имеет ограниченный срок службы и требует химической переработки. Основная цель переработки заключается в извлечении ценных делящихся материалов – урана и плутония из отработавших твэлов. Отработавшие твэлы требуют переработки по следующим причинам [19].

1. Реактивность реактора падает и становится слишком низкой из-за сгорания делящегося материала и накопления продуктов деления, поглощающих нейтроны.

2. Твэл постепенно повреждается под действием коррозионных, термических, радиационных и механических эффектов (радиационное распухание и радиационная ползучесть). Переработка отработавшего топлива экстракционными методами используется в широких масштабах для ядерных реакторов деления, поскольку она позволяет легко извлекать такие ценные материалы, как уран и плутоний (уран-плутониевый топливный цикл). Поэтому к материалам топлива и оболочки предъявляются требования, касающиеся легкости переработки топлива.