Materiale Utilizate pentru Reactoare Nucleare

Pentru constructia reactoarelor nucleare vin în considerare anumite metale si aliaje, cu proprietati speciale. Prin reactiile nucleare în reactor se produc radiatii de înalta energie care cauzeaza modificari ale proprietatilor materialelor (deteriorari prin iradieri). Astfel, sub influenta radiatiilor corpusculare si ondulatorii în material apar defecte ale retelei cristaline, de asemenea deplasari ale atomilor si fisiuni ale nucleelor.

Interactiunea razelor cu reteaua cristalina se manifesta în diferite moduri. In urma radiatiilor, electronii sau nucleul atomic sunt adusi într-o stare deranjata. Defectele retelei cristaline sunt cauzate de ciocnirea razelor corpuscular cu nucleele atomice, unde atomii dislocati, având energii ridicate, pot îndeparta alti atomi din pozitia lor din retea. Astfel, un atom poate provoca o succesiune de deplasari pe o întindere de peste câteva mii de A (Anstromi). Defectele aparute în retea dispun de o energie ridicata si instabilitate termodinamica.

O particula de masa m1, cu energia cinetica E1, care întâlneste atomul retelei cristaline cu masa m2, îi transpune acestuia o energie E2 a carei marime este data de relatia:

Energia necesara pentru deplasarea unui atom din pozitia sa din retea, este, pentru cele mai multe metale, între 10-50 eV. Defecte de retea se produc daca > . In cazul în care , particular poate îndeparta mai multi atomi din pozitia lor din retea, provocându-se astfel o cascada de deplasari.

Cu cresterea temperaturii, defectele de retea se refac în urmatoarea ordine: Crowdion (II), zone rarefiate (III), cuplu Frenkel (I), atomi între retele, vacante si dislocatii.

Daca iradierea provoaca mutatii ale atomilor si fisiuni ale nucleelor, atunci la defectele de retea se mai adauga si depozitarea de atomi straini, sub forma de produse fisionate. Dificultati cauzeaza de exemplu produsele fisionate sub forma de gaze ca heliu, xenon si krypton, care se colecteaza în locurile defecte si pot provoca porozitate sau chiar fisuri în material. Formarea unei cascade de deplasari, cauzata de ciocnirea unei particule de energie ridicata, se arata schematic în figura. Se formeaza goluri si atomi între retele, cauzând o scadere a densitatii si marirea volumului.

Modificarile structurii materialelor metalice în urma iradierii se reflecta în modificari însemnate ale proprietatilor si dimensiunilor. Cele mai frecvente schimbari, ca urmare a iradierii, sunt cresterea rezistentei la tractiune si a densitatii pe de o parte, si scaderea deformabilitatii, rezilientei si rezistentei la fluaj, pe de alta parte. De asemenea, sub influenta iradierii, se pot produce alte reactii chimice decât în mod obisnuit, astfel de exemplu comportarea la coroziune este cu totul alta decât fara iradiere. In fine, mai este de remarcat o deteriorare de iradiere, ceea ce face imposibila utilizarea anumitor elemente în constructia de reactoare. Aceasta este generarea, prin iradieri, a unor izotopi instabili, care la rândul lor emit radiatii radioactive periculoase, cum ar fi sau Mn. Trebuie deci evitata utilizarea otelurilor cu Co si Mn în constructia reactoarelor.

Pentru constructia reactoarelor vin în considerare doar anumite metale si aliaje, cu corespunzatoare proprietati nucleare. In se arata schema unui reactor nuclear cu elementele constructive cele mai importante.

Capacitatea de absorbtie si reflexie a materialului pentru neutroni trebuie sa se situeze într-un anumit interval de energie si sa posede o anumita stabilitate fata de radiatii. Aceste conditii sunt legate de o înalta puritate chimica a materialului, întrucât puritatea nucleara exclude prezenta chiar a unor cantitati infime de elemente straine.

Ca materiale metalice de combustie sunt utilizate în special U, Th si plutoniu precum si aliajele lor. Materialele nucleare trebuie sa satisfaca anumite cerinte, între altele: absorbtie redusa a neutronilor parazitari, proprietati izotrope, buna conductivitate termica, proprietati mecanice corespunzatoare, stabilitate la iradieri si variatii de temperatura, rezistenta la coroziune si altele.