12. Функциональные и конструкционные материалы в ядерной индустрии

Функциональный материал:

Ядерное горючее – вещество, в котором протекают ядерные реакции деления с выделением полезной энергии. Ядерное топливо для энергетического реактора выбирается с учетом его ядерных и химических свойств, а также стоимости. К делящимся веществам относятся изотопы 233U, 235U, 239Pu, 241Pu, способные делиться при взаимодействии с нейтронами любых энергий (беспороговое деление) и, следовательно, способные поддерживать цепную реакцию деления, а также 232Th и 238U, которые делятся под действием быстрых нейтронов (пороговое деление). К сырьевым элементам относится уран-238 (наработка плутония-239) и торий-232 (наработка урана-233). 235U, 238U и 232Th относятся к природным, 233U, 239Pu, 241Pu – к искусственным изотопам. Единственный природный изотоп, делящийся под действием нейтронов любых энергий, - 235U - называется первичным ядерным горючим, остальные 5 изотопов – вторичным. При реакции деления ядер урана выделяется 180 МэВ на один акт деления, что соответствует 7.4*1010 дж на 1 г горючего. Промышленные запасы первичного ядерного горючего –235U - в рудах оцениваются в 15 тыс. т., запасы природного вторичного ядерного горючего – 238U и 232Th – 2.5 млн. т. Природный уран состоит из смеси трех изотопов - урана-238 (99,28%), урана-235 (0,7%) и урана-234 (0,006%). Самоподдерживающаяся реакция деления происходит только на уране-235.

Диоксид урана - химически и термически устойчивое (температура плавления 2760°С) соединение урана с кислородом (U02), что обусловило его выбор в качестве ядерного топлива легководных реакторов.

Карбиды урана - соединения урана с углеродом. Обладают электропроводностью, высокой твердостью, термической и химической стабильностью. Карбиды урана обогащенные ураном-235, используются в качестве ядерного топлива.

Исходный материал - материал, содержащий уран или торий с содержанием изотопов в том отношении, в каком они находятся в природном уране и тории; уран, обедненный изотопом урана-235, любое из вышеуказанных веществ в любой физической или химической форме.

Замедлитель нейтронов - материал в реакторе, предназначенный для уменьшения кинетической энергии (скорости) быстрых нейтронов, образующихся в результате деления ядер урана, до тепловых уровней. Тепловые нейтроны с много большей вероятностью вызывают деление ядер урана-235.

Вода легкая - самое дешевое и распространенное в природе вещество, которое может быть использовано в качестве замедлителя и рабочего тела ЯЭУ.

Вода тяжелая - тяжелая вода (D2О) по сравнению с обычной имеет значительно лучшие ядерно- физические свойства. Она почти не поглощает тепловых нейтронов, поэтому является лучшим замедлителем. Применение тяжелой воды в качестве замедлителя позволяет использовать в качестве топлива природный уран; уменьшается первоначальная загрузка топлива и ежегодное его потребление. Однако стоимость тяжелой воды очень высока.

Графит - минерал, одна из кристаллических форм углерода. В ядерных реакторах используется графит ядерной чистоты в качестве замедлителя нейтронов. Графит ядерной чистоты - графит, из которого в основном удалены вещества, поглощающие нейтроны.

Конструкционный материал:

Ядерными энергетическими называются установки, преобразующие ядерную энергию в работу с помощью рабочего тела – газа реального, например водяного пара, или псевдогаза – электронов твёрдого тела. По методам получения энергии ЯЭУ подразделяются на два вида: ядерные реакторы, представляющие собой устройства, в которых обеспечиваются условия протекания управляемой самоподдерживающейся реакции деления тяжёлых ядер, и термоядерные реакторы, представляющие собой устройства для обеспечения управляемого самоподдерживающегося синтеза лёгких ядер.

Основной составной частью ЯЭУ является тепловыделяющий элемент (ТВЭЛ). В ядерных реакторах он состоит из ядерного топлива (U, Pu и их соединения с другими элементами), заключённого в оболочку или матрицу из конструкционного материала. В термоядерном реакторе основным ТВЭЛом является сама рабочая камера реактора (в которой осуществляется синтез лёгких элементов (дейтерия и трития), а вспомогательными являются ТВЭЛы с ядерным топливом, расположенные вне рабочей камеры.

К реакторным конструкционным материалам относятся такие металлы, как алюминий, цирконий и его сплавы, сплавы на основе магния, нержавеющая сталь и сплавы на основе железа, никеля, хрома, тугоплавкие металлы и сплавы, тугоплавкие металлы и сплавы, цветные металлы и сплавы на их основе. Основными материалами для оболочек тепловыделяющих элементов служат алюминий и цирконий. Нержавеющая сталь применяется в ограниченных количествах и только в реакторах на обогащенном уране, так как сильно поглощает тепловые нейтроны.