Калин Физическое материаловедение Том 5 2008

кого давления, что налагает определенные требования на конструкционные материалы.

Тяжелая вода вместо атомов водорода содержит атомы дейтерия. Ее замедляющая способность не так высока, как у обычной воды, однако сечение поглощения нейтронов тяжелой воды значительно меньше, чем легкой (см. табл. 22.7). Из всех материаловзамедлителей тяжелая вода характеризуется наиболее высоким коэффициентом замедления. Гетерогенный реактор с природным ураном может быть сделан критическим, если в качестве замедлителя используется тяжелая вода, например, канадские реакторы CANDU. В реакторе тяжелая вода применяется в качестве замедлителя, а легкая вода − в качестве теплоносителя, но тяжелая вода может использоваться одновременно для обеих целей. Основной недостаток тяжелой воды заключается в ее высокой стоимости. Из 6666 молекул обычной воды одна является молекулой тяжелой воды. Для разделения воды на тяжелую и легкую фракции были разработаны промышленные методы. Физические свойства тяжелой воды похожи на свойства обычной воды. Она замерзает при температуре 3,82 °С и закипает при 101,42 °С, в связи с чем в тяжеловодных реакторах, как и в легководных, необходимо поддерживать высокое рабочее давление. Плотность тяжелой воды при комнатной температуре составляет 1100 кг/м3.

Замедлители из других водородосодержащих материалов.

Водород в замедлителях может использоваться в форме органических углеводородов и в форме гидридов металлов. Идея использования в реакторах органических полифенилов (воскоподобных материалов) изучалась в течение ряда лет, но не вышла за пределы экспериментальной стадии. Были изучены замедлители в виде различных смесей изомерных полифенилов, характеристики замедления которых не очень сильно отличались от характеристик замедления воды. Однако было установлено, что свойства органических материалов ухудшаются в результате совместного воздействия облучения и температуры.

Другая форма водородосодержащего замедлителя − гидрид циркония ZrH2, получаемый путем нагревания металлического Zr в газообразном водороде при температуре около 350°С. Материал имеет хорошие характеристики замедления и используется в экспе-

551

риментальных реакторах. Например, в конструкции реактора TRIGA (США), предназначенного для обучения, исследований и получения изотопов замедлитель в виде ZrH2 однородно перемешан с ураном в твэлах. Поэтому температура замедлителя точно и быстро повторяет температуру топлива. Ввиду этого реакторам TRIGA свойственны безопасность и высокая стабильность, так как они характеризуются большими отрицательными температурными коэффициентами реактивности.

Графит широко используется в энергетических реакторах в качестве замедлителя. В России и ближнем зарубежье работают несколько канальных реакторов большой мощности с графитовым замедлителем и легководным теплоносителем (РБМК), в США на АЭС Fort St. Vrain − охлаждаемый гелием, в Великобритании − углекислым газом реакторы с графитовым замедлителем.

Графит высокой чистоты имеет хорошие характеристики замедления нейтронов и удовлетворительные механические свойства. Он является хорошим проводником тепла и относительно недорогостоящим материалом. Реакторный графит получают искусственно (встречающийся в природе графит довольно сильно загрязнен) путем графитизации нефтяного кокса.

Графит является аллотропической формой углерода и стабилен при всех температурах. В процессе нагрева при атмосферном давлении графит не плавится, а переходит в газообразную фазу (сублимирует) при 3650 °С. Графит имеет гексагональную кристаллическую структуру, состоящую из слоев атомов углерода, плотно упакованных в базовой плоскости, расположенных друг над другом. Из-за относительно большого расстояния между слоями напряжение сдвига слоев небольшое (это делает порошок графита хорошим смазочным материалом). Благодаря специфической кристаллической структуре графит является чрезвычайно анизотропным. Его электрические, тепловые и механические свойства зависят от кристаллографической ориентации. Свойства различных изделий из графита изменяются в широких пределах. Плотность реакторного графита составляет 1600−1700 кг/м3, что существенно меньше теоретической плотности, равной 2260 кг/м3 вследствие пористости изготавливаемого промышленностью графита.

552

В табл. 22.8 приведены характеристики реакторного графита в двух направлениях: вдоль оси экструзии и перпендикулярно этой оси. Прочность на растяжение, измеренная в двух направлениях, сильно отличается: увеличивается с ростом температуры, достигая максимума при температуре около 2500 °С (при этой температуре прочность почти в 2 раза выше, чем при комнатной температуре). С дальнейшим повышением температуры прочность быстро падает. Графит имеет высокое сопротивление ползучести при температурах ниже 1500 °С, однако при более высоких температурах эта характеристика снижается. Графит хорошо переносит воздействие термических ударов и термических напряжений. Благодаря этому материал может с успехом использоваться при высоких температурах (например, в высокотемпературных реакторах).

Основные проблемы, возникающие при использовании графита, связаны с его химическим сродством к кислороду, парам воды, диоксиду углерода и металлам. Эти проблемы решаются путем применения инертного газообразного гелия в качестве теплоносителя и строгого контроля за отсутствием паров воды в системах первого контура.

Особое внимание уделялось поведению графита при облучении. Бомбардировка нейтронами может привести к изменению размеров изделия, хотя при повышенных температурах этот эффект менее выражен вследствие влияния отжига на кристаллическую структуру графита.

Хорошо известное воздействие облучения на графит заключается в накоплении внутренней энергии и в последствиях, связанных с

553

выделением этой энергии. Явление имеет название «эффект Вигнера». При температурах ниже 350 °С, когда отжиг радиационных дефектов не происходит, степень радиационного повреждения графита со временем увеличивается и в кристаллической решетке аккумулируется накопленная энергия. Если метастабильный материал (с накопленной энергией) быстро переходит в стабильную форму, накопленная избыточная энергия может мгновенно выделяться и вызывать резкое повышение температуры. Например, в результате облучения при невысоких температурах до флюенса нейтронов1023 м–2 в материале может накопиться до 1,69 МДж/кг графита. При выделении этой энергии графит может нагреться до 1000 °С. Реакторы с графитовыми замедлителями, работающие при низких температурах, периодически подвергаются контролируемому медленному нагреву так, чтобы отжиг радиационных повреждений происходил без катастрофического повышения температуры графита. Крупная авария с перегревом реактора, предназначенного для производства плутония, произошла в 1957 г. в Уиндскейле (Великобритания). Авария началась при нормальном периодическом отжиге реактора для удаления накопленной энергии, вызвала серьезные повреждения реактора и привела к большому выделению радиоактивности в окружающую среду.

В случае работы при высоких температурах эта проблема несущественна, поскольку отжиг и выделение накопленной энергии происходят непрерывно.

22.1.6. Материалы − отражатели нейтронов

Нейтроны, находящиеся вблизи поверхности активной зоны ядерного реактора, могут покинуть ее и, следовательно, не будут принимать участие в цепной реакции. Такая утечка нейтронов наружу активной зоны ухудшает баланс нейтронов и должна быть сведена к минимуму. Для уменьшения потерь нейтронов в результате утечки вокруг активной зоны используют отражатели, назначение которых состоит в рассеянии нейтронов, покидающих активную зону, и отражении их обратно в зону без поглощения. Отношение числа нейтронов, отраженных в активную зону с по-

554

верхности отражателя, к числу нейтронов, достигших поверхности отражателя, называется альбедо. К хорошим отражателям предъявляются те же требования, что и к хорошим замедлителям. Поэтому в качестве отражателей тепловых нейтронов используются такие материалы-замедлители, как обычная и тяжелая вода, бериллий и графит. Их альбедо составляет от 0,82 (для Н2О) до 0,97 (для D2O). В быстрых реакторах замедление нейтронов нежелательно, и для отражателей можно использовать материалы, хорошо рассеиваю-

щие нейтроны. Материалами отражателей быстрых нейтронов

обычно являются тяжелые элементы, имеющие высокую плотность и большое сечение рассеяния быстрых нейтронов. В качестве от-

ражателей можно использовать также воспроизводящие материалы

(232Th и 238U).

Низкое сечение захвата тепловых нейтронов и малая плотность обеспечили широкое применение Be и его оксида ВеО в ядерноэнергетических установках подводных лодок и космических спутников, в исследовательских реакторах в качестве замедлителя и отражателя нейтронов. По этой причине Be и его оксид нашли применение в различных конструкциях испытательных реакторов типа MTR (материаловедческий), ETR (технологический) и др.

22.1.7. Материалы защиты от излучения

Материалы защиты от нейтронов и излучения используют в ядерных установках для защиты персонала и оборудования. Защита осуществляется окружением источника излучения защитными или строительными стенами, которые поглощают большую часть испускаемого излучения и доводят это излучение до безопасного уровня. Применительно к ядерно-энергетическим установкам требуется защита от нейтронов, гамма-излучения, электронов и тяжелых ионизированных частиц, включая α-частицы, протоны, осколки деления и т. д..

Тяжелые ионы и β-частицы имеют небольшую длину свободного пробега, и защита от них не представляет проблемы. Поток нейтронов и γ-излучение необходимо ослаблять для защиты персонала. Следует отметить, что β-частицы дают вторичное излучение в процессе ослабления и поглощения в материалах. Это излучение со-

555

стоит из рентгеновского излучения, имеющего непрерывный спектр (так называемое тормозное излучение), и из пар γ-квантов с энергией 0,51 МэВ, образующихся при аннигиляции позитрона и электрона.

Для защиты от нейтронов материал должен обладать хорошей замедляющей способностью (включать легкие элементы) и иметь большое сечение поглощения нейтронов.

Для защиты от γ-излучения материал должен иметь высокие характеристики рассеяния и поглощения γ-излучения. Ослабление γ-излучения происходит в результате его взаимодействия с электронами и электромагнитным полем ядер. Поэтому если объем защиты имеет критическое значение, предпочтительно использовать тяжелые материалы (например, свинец), имеющие большое число электронов, хотя при равной массе все материалы имеют более или менее одинаковые характеристики защиты.

Вода из-за ее хороших свойств и низкой стоимости является широко распространенным материалом защиты. Она отлично замедляет нейтроны, хорошо их поглощает и при наличии слоя достаточной толщины обеспечивает необходимую защиту от γ- излучения. Во многих исследовательских реакторах активные зоны расположены в бассейнах глубоко под водой, которая одновременно является теплоносителем, замедлителем, отражателем и материалом защиты, а также позволяет осуществлять визуальный контроль активных зон. Отработавшее топливо, выгруженное из легководных реакторов, хранится в заполненных водой бассейнах на территории АЭС, причем для обеспечения защиты над топливом предусмотрен слой волы достаточной толщины (около 4 м).

Другими водородосодержащими материалами, используемыми для создания защиты, могут быть парафин и полиэтилен.

Для ослабления γ-излучения используются материалы различной формы (листы, кирпичи и т. д.) из таких тяжелых элементов, как свинец, железо или вольфрам. Борал, представляющий собой смесь карбида бора с алюминием, в виде листов, плакированных алюминием, широко использовался для защиты от нейтронов и γ-излучения. Таким образом, для защиты от реакторного излучения можно использовать и легкие, и тяжелые элементы. Однако нет

556

смысла выбирать наиболее эффективный материал защиты, так как любое вещество взаимодействует с излучением и, если это вещество имеется в достаточном количестве, поглощает его. При нахождении оптимального решения необходимо учитывать вопросы, связанные со стоимостью материалов и наличием свободного пространства для размещения защиты. В промышленных энергетических реакторах, где свободного пространства много, а стоимость материалов должна быть сведена к минимуму, используются такие распространенные и дешевые материалы, как вода и бетон (тяжелый бетон). Последний является дешевым и эффективным материалом защиты и используется в качестве строительного материала для создания элементов конструкций.

22.2.Материалы с особыми магнитными

иэлектрическими свойствами

22.2.1. Магнитные материалы

Особенности воздействия магнитного поля на диа-, пара- и

ферромагнетики. Магнитные свойства твердого тела1 определяются магнитными моментами его атомов, ионов и электронов проводимости, а также их взаимодействием с ближайшими атомами в кристаллической решетке. Частицы, имеющие электрический заряд, обладают магнитным моментом, пропорциональным массе частиц. Исключением являются нейтроны, обладающие магнитным моментом, но не имеющие заряда. Электроны − основной источник магнетизма вещества. Они обладают двумя магнитными моментами: орбитальным и спиновым (внутренним механическим).

Напомним, что для характеристики магнитных свойств материалов используют определенные физические величины: H − напряженность магнитного поля; B − индукция; μ − проницаемость. Между ними существует соотношение:

1 Физическое материаловедение. − М.: МИФИ, 2008. Т. 1. П. 3.6.

557

Для характеристики магнитных материалов используют термин намагниченность (магнитный момент единицы вещества), которая связана с напряженностью магнитного поля соотношением:

где m магнитная восприимчивость.

Под действием внешнего магнитного поля в материале возникает собственное магнитное поле Bi, расположенное параллельно или

где B0 магнитная индукция в вакууме; 0 магнитная постоянная (магнитная проницаемость вакуума); относительная проницаемость материала, которая показывает, во сколько раз магнитная индукция в материале больше,

ются начальные и максимальные значения магнитной проницаемости в зависимости от величины индукции B и приложенного магнитного поля H

(рис. 22.4):

нач = lim В/ 0H и max =

Н 0

= Bmax/ 0Hmax. (22.10)

По реакции на внешнее магнитное поле и характеру внутреннего магнитного упорядочения все вещества делятся на сильномагнитные (ферромагнетики и ферримагнетики) и слабомагнитные (диамагнетики и парамагнетики). В сильномагнитных веществах даже в отсутствие внешнего поля существует магнитное упорядочение, и это связано с взаимодействием между атомами.

Классификацию веществ по магнитным свойствам осуществ-

ляют по их реакции на воздействие магнитного поля.

В диамагнетиках магнитный момент является результатом воздействия внешнего магнитного поля на молекулярные токи и направлен навстречу внешнему магнитному полю: m = (10–6–10–7);

558

μ < 1. Магнитная восприимчивость слабо изменяется с температурой. Диамагнетиками являются все вещества с ковалентной свя-

зью, щелочено-галоидные кристаллы, неорганические стекла, полупроводники AIIIBV, AIIBVI, а также ряд металлов: Cu, Ag, Au, Zn,

Hg, Ga и др.

Парамагнетики − это вещества с некомпенсированными магнитными моментами. Магнитный момент парамагнетика равен нулю. Магнитная восприимчивость слабо зависит от температуры: χm = (10–6–10–3); μ < 1. К парамагнетикам относятся щелочные и щелочноземельные металлы, соли железа, никеля, кобальта, а также ряд металлов: Al, Na, Mg, Ta, W и др.

В ферромагнетиках при определенном значении темпера туры θК – температуре Кюри, наблюдается магнитная упорядоченность, соответствующая параллельному расположению спинов в макроскопической области материала даже в отсутствие внешнего магнитного поля. Магнитная восприимчивость достигает больших положительных значений (до 106) и сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. В целом магнитные свойства ферромагнитных материалов обусловлены особенностями электронного строения атомов и взаимодействием между ними. К ферромагнитным материалам относятся переходные металлы, атомы которых имеют недостроенные внутренние электронные оболочкиFe, Ni, Co, а также их сплавы и соединения. При низких температурах ферромагнетиками становятся некоторые редкоземельные материалы − Gd, Tb, Tm, Er, Dy и некоторые соединения редкоземельных металлов типа RCo5, где R − Sm, Pr, Сe.

В ферромагнетиках между электронными оболочками соседних атомов происходит обменное взаимодействие и возникает так называемая обменная сила Z, ориентирующая магнитные моменты атомов параллельно друг другу. Это приводит к образованию в ферромагнитных материалах областей однородной намагниченности − магнитных доменов. Обменная сила зависит от отношения межатомного расстояния к радиусу незаполненной электронной оболочки a/r. Ферромагнитные свойства материалов проявляются при отношениях a/r = 3,1–6,6.

559

Другая особенность ферромагнитных материалов – сильная зависимость магнитного состояния от напряженности внешнего магнитного поля и температуры. При температурах выше точки Кюри (для

Fe − 768 °C; Ni − 358 °C; Co − 1130

°C) материал теряет ферромагнитные свойства и становится парамагнетиком. На рис. 22.5 показана температурная зависимость магнитной проницаемости ферромагнетика при различных значениях напряженности внешнего магнитного поля.

Возрастание магнитной проницаемости μ с увеличением температуры связано с ослаблением сил,

препятствующих смещению доменных границ и повороту магнитных доменов. Резкий спад магнитной проницаемости при высокой температуре вызван резким уменьшением спонтанной намагниченности доменов. На начальных этапах (малые значения H) имеет место упругое смещение границ доменов.

Начальный этап обратим, поскольку при снятии слабого магнитного поля доменные границы возвращаются в исходное положение и остаточной намагниченности не возникает. При дальнейшем увеличении H происходит необратимое смещение доменных границ и этому моменту соответствует максимальный угол наклона кривой магнитной проницаемости (см. рис. 22.5). В области высоких значений H (сильные магнитные поля) снижение μ объясняется техническим насыщением ферромагнетика.

Поскольку магнитная проницаемость связана с напряженностью магнитного поля H и индукцией B соотношением

μ = B/μ0Н, (22.11)

то она соответствует тангенсу угла наклона и величины взаимосвязаны, т.е. когда все магнитные моменты ориентированы, состояние магнитного насыщения характеризуется индукцией насыщения Bs.

560