1. Классификация материалов ядерной техники.

-топливные материалы;

-материалы теплоносителей;

-материалы органов СУЗ и ОЯТ;

-материалы замедлителей;

-материалы отражателей;

-материалы систем обеспечения безопасности;

-конструкционные материалы;

2.Керамические соединения плутония (классификация, свойства, характеристики, достоинства и недостатки).

К керамическим соединениям плутония главным образом относятся оксидные, карбидные и нитридные плутониевые системы. При этом диоксид плутония PuO2, монокарбид плутония PuC и нитрид плутония PuN в смеси с UO2, UC и UN соответственно рассматриваются как перспективные виды топлива для быстрых энергетических реакторов. Другими словами, соединения плутония на основе PuO2×UO2, PuC×UC иPuN×UN или (U, Pu)02, (U, Pu)С и (U, Pu)N являются перспективными типами топлива для жидкометаллических реакторов на быстрых нейтронах. Смешанное оксидное топливо (U, Pu)02, разработанное, например, для экспериментального реактора на быстрых нейтронах (FFTF) или проектируемого быстрого энергетического реактора CRBR, создает предпосылки для скорейшего внедрения LMFBR в ядерную энергетику. Основаниями для такого выбора являются: 1) значительный опыт и отработанная технология для фабрикации твэлов из оксидного топлива; 2) хорошая изученность термических и радиационных характеристик оксидного топлива; 3) положительный опыт использования оксидного топлива в реакторах и эксплуатации оборудования. Единственным недостатком оксидного топлива является относительно низкий коэффициент воспроизводства и как следствие большие времена удвоения (около 15 лет).

3. Влияние облучения на конструкционные материалы.

Все основные изменения свойств материалов под действием облучения можно разделить на: 1) структурные и механические, связанные с локальной деформацией; 2) электрические и физические, связанные главным образом, с захватом заряда (дырки электроны в полупроводниковых материалах) дефектами решетки. Кроме того, под действием облучения также изменяются тепловые свойства и контролируемые  диффузией кинетические процессы.

Изменения свойств, вызванные облучением, обычно связаны друг с другом и происходят одновременно. При росте твердости, например, обычно растет предел текучести, предел прочности и модули упругости, а пластичность падает. Рост скорости диффузии и количества примесей приводят к понижению электропроводности. Температурные смещения фазовых равновесий и рост критической температуры вязко-хрупкого перехода представляют значительный интерес для прогноза влияния облучения на материалы оболочек топлива и сосудов высокого давления. В общем случае результат наложения изменений структурных, механических, электрических, физических, тепловых и контролируемых диффузией кинетических свойств является весьма сложным.

4. Анализ общих свойств материалов при выборе их для ядерного реактора.

Механическая прочность, пластичность, вязкость и конструкционная прочность.

 Механическая прочность представляет собой способность элементов конструкции выдерживать напряжения, обусловленные воздействием внешних или эксплуатационных нагрузок. В общем случае механическая прочность элементов конструкции должна обеспечиваться при любых условиях эксплуатации ядерного реактора. Мерой механической прочности конструкции являются напряжения, возникающие в ней под действием эксплуатационных нагрузок.

Пластичность характеризует способность, материла течь или испытывать постоянную деформацию перед окончательным разрушением при растяжении. Абсолютной меры пластичности нет, однако в качестве показателей пластичности  обычно используют относительное удлинение и относительное сужение. Чем больше эти показатели, тем пластичнее материал.  Пластичность-свойство, противоположное хрупкости, однако для большинства материалов ядерных реакторов резкой грани между ними нет  [19].

Вязкость характеризует способность материала выдерживать без разрушения ударные нагрузки (механические или термические). Хотя ударность и не является абсолютной мерой, ее используют для оценки вязкости. Иногда под  вязкостью понимают сочетание высокой механической прочности и большой пластичности материала. 

Под конструкционной прочностью понимается механическая стабильность конструкции, например герметичность твэлов и целостность регулирующих стержней в ядерном реакторе. Узел или деталь в реакторе могут сохранить свою конструкционную прочность, если они обладают достаточной механической прочностью, пластичностью, вязкостью и механической стабильностью, чтобы выдержать жесткие условия работы.

Соединяемость,  обрабатываемость и коррозионная стойкость. Соединяемость характеризует  способность отдельных кусков материала соединяться друг с другом с помощью стандартных методов сборки, сварки, соединения заклепками и т.д. При изготовлении корпусов реакторов и твэлов характеристики соединяемости материалов корпусов и твэлов имеют первостепенное значение.  Огромные противоаварийные оболочки реакторов приходится изготавливать в полевых условиях.

Обрабатываемость материала характеризует его способность изменять форму под действием таких механических операций, как резание, фрезерование, прокатка и ковка. Чем податливее металл, тем более тонкий листовой материал можно приготовить из него путем обработки давлением.

Конструкционные узлы реакторов можно изготавливать только из материалов, обладающих хорошей соединяемостью и обрабатываемостью.

При выборе материалов непременно должна приниматься во внимание коррозия, которой могут быть повреждены любые металлические конструкции, находящиеся в контакте с агрессивными жидкостями (жидкий или газообразный теплоноситель).   Значение необходимой коррозионной стойкости зависит главным образом от условий эксплуатации. Непредсказуемое, резкое увеличение скорости коррозии нежелательно, и его следует избегать. Сварные соединения и механически обработанные участки корпусов реакторов, оболочек твэлов, систем трубопроводов и других элементов конструкций легированных реакторов относительно чувствительны к коррозии в водном теплоносителе.

На базе экспериментальных результатов и накопленного опыта можно установить следующие простые критерии коррозионной стойкости:

- сохранение  чистоты поверхностей и жидкого теплоносителя;

- предотвращение отложений химических соединений на твердых поверхностях и отсутствие примесей в жидком теплоносителе;

- предотвращение образований течей в замкнутых системах, трубопроводах, каналах и т.д.

- защита сварных соединений и механически обработанных участков от коррозионного воздействия,  как в статических, так и в динамических условиях;

- обеспечение необходимых механических, термических и других характеристик материала в течение всего срока службы, если коррозия неизбежна;

- снижение до минимума влияния облучения на скорость коррозии;

- исключение окисления твердых поверхностей во время облучения при высоких температурах. Интенсивное облучение и высокотемпературное окисление могут ускорить коррозию ядерного материала.

Способность к теплопередаче, термическая стабильность и совместимость материалов. Существует три основных способа передачи тепла: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение. Два первого играют главную роль при конструировании ядерного реактора и при выборе материалов. Поэтому коэффициенты теплопроводности, температуропроводности и теплопередачи путем конвекции тепла, характеризующие основные теплофизические свойства материала, также играют важную роль  [19].

Тепло, которое генерируется в ядерном реакторе главным образом в топливе, необходимо эффективно отвести и использовать с помощью систем парогенераторов и турбогенераторов для получения электрической энергии. Процессы отвода и использования тепла с целью генерирования  электроэнергии на АЭС  требуют применения реакторных материалов с хорошей способностью к  теплопередаче.

Термическая стабильность является важным свойством материалов, работающих при повышенных температурах. В большинстве механических случаев механическая прочность, конструкционная прочность и коррозионная стойкость материалов конструкций и трубопроводов понижается с повышением температуры [1]. Особенно сильно уменьшается теплопроводность оксидов урана и плутония при приближении к их точкам плавления, когда ядерный реактор работает на высоком уровне мощности.  Кроме того, теплоноситель может испаряться с образованием сложного двухфазного потока, и сам становится нестабильным при высоких температурах. Таким образом, высокая термическая стабильность материалов существенна для безопасной работы ядерного реактора.

Все элементы и все компоненты в данной реакторной системе должны быть совместны друг с другом. Другими словами, материалы, согласованно функционировать должным образом. Например, в легко-водном реакторе материал корпуса пол давлением должен быть совместим с теплоносителем, а материал оболочки с материалами топлива и теплоносителя. Коррозионная стойкость материалов корпуса реактора и оболочек твэлов должна быть достаточно высокой, так чтобы конструкционные материалы и теплоноситель были совместимы и нормально функционировали в течение всего срока службы.

Доступность и стоимость. Доступность материалов и их  стоимость являются основными экономическими характеристиками, которые следует учитывать при техническом проектировании и выборе материалов. Не имеет значения, что материал обладает желаемыми свойствами или подходит для инженерной конструкции, он должен быть коммерчески доступен и иметь, относительно низкую стоимость. Например, для осуществления управляемой термоядерной реакции необходимо изготовлять магниты из сверхпроводящего материала для того, чтобы  поля могли удержать термоядерную плазму. Однако в настоящее время сверхпроводящие материалы (Nb₃Sn или NbTi) настолько дефицитны и  их стоимость настолько высока, что обычная лаборатория по физике плазмы не может позволить использовать их.

При выборе материалов в процессе проектирования ядерного реактора на основании многих факторов необходимо найти компромиссное решение. Вероятно, конечной стадией проектирования и выбора материалов является экономическая оценка, в процессе которой рассматриваются главным образом доступность и стоимость  [19].