Из конструкционных материалов изготавливаются оболочки твэлов, корпуса реакторов, опоры органов регулирования, каналы для теплоносителя, опорные плита активной зоны (решетки), системы трубопроводов с теплоносителем и тд. Основные требования, предъявляемые к конструкционным материалам, приведены ниже:
Требования Низкое сечение поглощения (захвата) нейтронов.............................................. | Материалы |
Высокие механическая прочность и пластичность......................................... | Углеродистые стали, нержавеющие стали |
Высокая термическая стабильность (теплостойкость)................................... | Специальные сплавы на никелевой основе |
Большая радиационная стабильность | Тугоплавкие металлы Mo, Ti, Та, W |
Низкая наведенная радиоактивность | Керамики, ВеО, Al2O3, MgO, SiO2 |
Хорошие характеристики теплопередачи ............................................................... | Керметы, ZrSi2, SiC-Al |
Высокотемпературная коррозионная стойкость............................................... | Графит, предварительно напряженный бетон |
Выбор конструкционных материалов, основанный на наиболее важных требованиях, зависит от конкретного типа ядерного реактора (см. гл. 1 и 2). Например, в качестве материалов оболочек твэлов тепловых исследовательских реакторов используется алюминий, газоохлаждаемых реакторов (типа Calder Hall) — магниевые сплавы, легководных и тяжеловодных энергетических реакторов — циркониевые сплавы и быстрых реакторов-размножителей типа реактора LMFBR — нержавеющие стали.
Металлический уран и оксид урана легко реагируют с воздухом, водой и жидким металлом, которые часто применяются в качестве реакторного теплоносителя. Металлические и оксидные урановые топлива коррозионно нестойки при повышенных температурах. Поэтому то и другое урановое топливо необходимо помещать в оболочку из определенного конструкционного материала, совместимого как с топливом, так и с теплоносителем.
МАТЕРИАЛЫ ЗАМЕДЛИТЕЛЯ, ОТРАЖАТЕЛЯ И ЗОНЫ ВОСПРОИЗВОДСТВА [5,12-19]
В тепловом реакторе замедлитель служит для снижения относительно высокой кинетической энергии образующихся при делении нейтронов до уровня тепловой энергии, соответствующей окружающей температуре. Радиальные и аксиальные отражатели могут отражать рассеянные или покидающие активную зону нейтроны и направлять их обратно в активную зону как в тепловых, так и в быстрых реакторах. Материалы зон воспроизводства (радиальной и аксиальной), окружающие активную зону, используются для воспроизводства новых топливных материалов путем поглощения покидающих активную зону нейтронов такими воспроизводящими материалами, как 232Th или обедненный 238U, которые специально загружаются в быстрые реакторы-размножители.
Ниже приведены основные требования, предъявляемые к ядерным свойствам материалов замедлителей и отражателей, и перечислены основные материалы:
При большом сечении рассеяния замедлителя и отражателя столкновение нейтронов с ядрами замедлителя происходит часто и год большими углами, а средняя длина свободного пробега нейтронов в процессе замедления относительно мала, в результате чего сводятся к минимуму утечка нейтронов и их потери. Лучшими материалами замедлителей и отражателей являются тяжелая вода, легкая вода и водородсодержащие материалы, графит, бериллий и оксид бериллия.
Требования, предъявляемые к материалам зоны воспроизводства в быстром реакторе, совершенно отличаются от требований, которые предъявляются к материалам замедлителей и отражателей в тепловом реакторе. Материалы зоны воспроизводства быстрого реактора должны быть воспроизводящими ядерными материалами, иметь высокое сечение поглощения нейтронов, иметь низкое сечение рассеяния нейтронов и легко поддаваться переработке.
В дополнение к специфическим ядерным свойствам материалы замедлителей, отражателей и зоны воспроизводства должны обладать некоторыми характеристиками конструкционных материалов, т.е. они должны иметь необходимую механическую прочность, термическую стабильность, радиационную стабильность, обрабатываемость и коррозионную стойкость. От замедлителей и отражателей требуются также относительно хорошие характеристики теплопередачи для поглощения и рассеяния тепловой энергии, выделяющейся при замедлении нейтронов в тепловых реакторах и при захвате нейтронов и радиоактивных распадах в зоне воспроизводства быстрых реакторов.
