В ходе проектирования и эксплуатации в любой отрасли техники к свойствам материалов предъявляются специфические требования. В ядерной технике специальные требования к материалам включают ядерные характеристики, наведенную радиоактивность, химические взаимодействия, взаимную диффузию и легкость переработки топлива.
- Ядерные свойства материалов. Нейтроны играют наиболее 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 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 экономии 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 образованию новых (стабильных или радиоактивных) нуклидов. Излучение (а- и бета-частиц, гамма-квантов и т.д.), обусловленное ядерными превращениями и образованием нуклидов, определяется термином наведенная радиоактивность. Желательно, чтобы наведенная радиоактивность характеризовалась небольшим периодом полураспада и низкой энергией излучения. В случае образования долгоживущих радиоактивных нуклидов с высокой энергией гамма-излучеиия [1] могут возникнуть проблемы при обслуживании, ремонте и проверке оборудования и выполнении экспериментальных исследований в условиях интенсивного излучения.
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, выделяющееся 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 длиной 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 относятся радиационный рост, рост при термическом циклировании, радиационное распухание и радиационная ползучесть [2]. Что касается конструкционных материалов, то влияние облучения на них в основном проявляется в растрескивании и усталости при термическом циклировании, радиационном распухании и радиационной ползучести [3]. Радиационное распухание, радиационная ползучесть, а также растрескивание и усталость при термическом циклировании могут лимитировать радиационную стабильность топливных и конструкционных материалов [4-15].
В процессе послереакторного исследования образцов твэлов, облученных при высоких температурах (температура наружной поверхности оболочки более 500 °С, температура оксидного топлива более 1500 °С), часто наблюдаются 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 взаимодействию 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 депо касается коэффициентов теплопроводности или теплопередачи в зазоре между топливом и оболочкой. Такую зависимость можно объяснить тем, что межкристаллитное 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 тд.) диффундируют из внешней зоны топливных таблеток в прилегающую оболочку, тогда как некоторые элементы материала оболочки (аустенитная нержавеющая сталь для твэлов быстрых реакторов-размножителей с жидкометаллическим 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 цепь переработки заключается в извлечении ценных делящихся материалов — урана и плутония из отработавших твэпов. Отработавшие твэлы требуют химической переработки по следующим причинам.
- Реактивность реактора падает и становится слишком низкой из-за сгорания делящегося материала и накопления продуктов деления, поглощающих нейтроны.
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.
