Материалы атомной энергетики

Российский федеральный ядерный центр – 
Всероссийский научно-исследовательский институт 
экспериментальной физики
Халдеев В. Н. 
Материалы атомной энергетики
Учебно-методическое пособие
Саров
2018

УДК 669.017
ББК  34.3
          Х17
Рецензенты:
М. П. Кужель – д-р техн. наук, РФЯЦ-ВНИИЭФ
С. А. Жамилов – главный инженер 
ФГУП «Комбинат «Электрохимприбор»
Х17
Халдеев, В. Н.
Материалы атомной энергетики : учебно-методическое пособие /
В. Н. Халдеев. – Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2018. – 183 с., ил.
ISBN 978-5-9515-0388-6
В пособии рассматриваются строение и свойства металлов и сплавов, применяемых в изделиях промышленного
и оборонного назначения. 
Издание предназначено для студентов, обучающихся
в  магистратуре  физико-технического  факультета  СарФТИ
НИЯУ «МИФИ» по направлению «Конструкторско-технологическое  обеспечение  машиностроительных  производств».
Пособие представляет интерес также для научных и инженерно-технических работников предприятий и научно-исследовательских институтов, молодых специалистов, занимающихся вопросами, связанными с применением ядерных и сопутствующих материалов.
УДК 669.017
ББК 34.3
ISBN 978-5-9515-0388-6                                © Халдеев В. Н., 2018
© ФГУП 
«РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2018
2

Содержание
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
1. Физика процесса деления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
6
2. Процесс радиоактивного распада . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
3. Принципы работы ядерных устройств . . . . . . . . . . . . . . . 
15
4. Классификация  материалов,  применяемых  в  атомной
    энергетике . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
19
5. Структура, свойства и применение материалов атомной
    энергетики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
5.1. Энерговыделяющие материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
25
5.1.1. Уран . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
5.1.2. Плутоний . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
38
5.1.3. Нептуний . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
80
5.1.4. Методы  идентификации  трансурановых  эле          ментов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
82
5.1.5. Полоний . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
85
5.2. Сопутствующие материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
87
5.2.1. Галлий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
87
5.2.2. Цирконий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
92
5.2.3. Бериллий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
101
5.2.4. Бор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
112
5.2.5. Литий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
115
5.2.6. Церий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
120
5.2.7. Кадмий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
123
5.3. Конструкционные материалы атомной энергетики . .
125
5.3.1. Алюминий и его сплавы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
126
5.3.2. Магний и его сплавы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
128
5.3.3. Титан и его сплавы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
133
5.3.4. Никель и его сплавы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
149
5.3.5. Тугоплавкие металлы и их сплавы . . . . . . . . . . . . .
151
5.3.6. Стали . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
175
5.3.7. Керамические материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
178
Источники  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
180
3

Введение
Изначальное и основное назначение атомной энергетики –
создание ядерного оружия. Его огромная разрушительная сила является сдерживающим фактором для агрессоров.
Первая атомная бомба, как известно, была испытана в США
в 1945 г. СССР стал ядерной державой в 1949 г. 
В основе атомной энергетики лежит процесс деления атомов
некоторых  металлов  под  воздействием  нейтронного  облучения.
Процесс деления может быть регулируемым и нерегулируемым.
Нерегулируемый процесс протекает взрывообразно и применяется
в основном в военных целях. На принципе регулируемого процесса
деления основана работа ядерных реакторов. Атомная энергия образуется в результате деления атомов и характеризуется большой
энергией взаимодействия  частиц,  составляющих  ядро, примерно
в миллион раз превышающей химическую энергию того же количества вещества.
При  проникновении  нейтрона,  например,  в  ядро  урана,
происходит деление ядра на две части. Эти части разлетаются в
разные стороны с огромной скоростью (порядка 20000 км/с), т. е.
обладают значительной (порядка 1,6·108 эВ) энергией. Кроме того,
в процессе деления ядра урана образуются 2–3 нейтрона, суммарная  энергия  которых  составляет  ~4 · 107 эВ. В  итоге  суммарная
энергия, выделяющаяся при делении ядра урана, приблизительно равна 2 · 108 эВ, (или 3,2 · 10–11 Дж). Поскольку в 1 кг урана содержится
приблизительно 25,6 · 1023 атомов и процесс деления происходит за
чрезвычайно короткий промежуток времени, реакция деления носит взрывной характер. В месте взрыва температура очень высокая
– порядка сотен миллионов градусов Цельсия. Ей соответствует
и высокое давление – сотни тысяч атмосфер. Возникающая при
взрыве энергия необычайно велика: ядра, содержащиеся в 1 кг урана, выделяют при делении столько же энергии, сколько образуется
при взрыве 20000 тонн тринитротолуола – одного из самых мощных взрывчатых веществ. Один килограмм и 20000 тонн – таково
соотношение ядерной и химической энергии. 
4

Автор  выражает  признательность  Малинову  В. И. и Казаковской Т. В. за ценные замечания и внимание к рукописи.
5

1. Физика процесса деления
Использование атомной энергии как в военных (атомная бомба),  так и в  мирных  (ядерный  реактор)  целях  основывается  на
способности ядер некоторых элементов делиться под действием
медленных и быстрых нейтронов. Нейтроны деления, проходя через вещество, взаимодействуют с атомными ядрами. Реакции, протекающие при этом, можно разделить на три группы. 
1. Захват нейтронов с последующим делением ядер. Реакции
этого типа приводят к образованию осколков деления с высокой
энергией и сопровождаются нейтронным и γ-излучением, а также
выделением большого количества тепла.
2. Поглощение  нейтронов ядрами без последующего деления. Продуктами этой реакции являются новые, как правило, радиоактивные ядра. Их образование сопровождается испусканием
протона, α-частицы или γ-излучением.
3. Рассеяние нейтронов, в результате которого нейтроны теряют часть своей энергии, т. е. замедляются. Реакции рассеяния не
вызывают каких-либо изменений состава вещества. 
Вероятность взаимодействия частицы с ядром с протеканием
той или иной ядерной реакции характеризует  поперечное сечение
реакции, которое измеряют в барнах (1 барн = 10–24 см2). Поперечное сечение ядерной  реакции является важной характеристикой
элементов, его значение определяет возможность использования
материала в атомной энергетике. Например, материалы, применяемые в качестве замедлителей, должны иметь высокие значения рассеяния и низкие значения поглощения. Поперечное сечение поглощения различно для разных изотопов и сильно зависит от энергии
нейтронов. 
Наиболее  распространенными  делящимися  элементами  являются изотопы урана и плутония:  233U,  235U,  239Pu,  241Pu. Из них
в природе существует только 235U, а остальные получают в ядерных
реакторах в результате облучения нейтронами изотопов тория-232
(232Th), урана-238 и плутония-239. Под воздействием нейтронов 238U
6

частично переходит в 239Pu, а 232Th – в 233U. Первичным ядерным горючим является 235U, а 239Pu, 241Pu  и  233U – вторичным. 
Природный уран является смесью трех изотопов с массовыми числами 234, 235 и 238. Уран с повышенным содержанием изотопа 235U называется обогащенным. Процессы, происходящие после
захвата тепловых нейтронов ядрами  235U и 238U, существенно отличаются. Уран-235 имеет нечетное число нейтронов, а уран-238 – четное (у обоих изотопов имеется четное число протонов), поэтому
поглощаемый ураном-235 нейтрон образует пару с нечетным нейтроном, выделяя дополнительную энергию. У урана-238 нет свободного нейтрона, который образовал бы пару с поглощенным нейтроном, поэтому ни энергии возбуждения, ни процесса деления не
возникает до тех пор, пока падающий нейтрон не доставит нужную
энергию.
При захвате нейтрона
 ураном-238 происходит следующая
цепь ядерных превращений:
где γ – гамма-квант.
Уран-239, являющийся нестабильным изотопом, испытывает
β-распад с периодом полураспада 23 мин, что приводит к образованию нептуния – элемента с зарядом 93. Ядерная реакция протекает
следующим образом:
где 
 – электрон. 
Нептуний  также  β-радиоактивен  с  периодом  полураспада,
равным 2,3  cуток. Новый трансурановый элемент имеет заряд 94
и массовое число 239:
Таким образом, после двойного β-распада 238U превращается
в 239Pu, который является относительно стабильным изотопом (239Pu
α-радиоактивен с периодом полураспада 24110 лет).
7

При захвате ураном-235 нейтрона образуется весьма неустойчивый изотоп 236U, который расщепляется на две неравные части,
называемые осколками деления. В результате расщепления выделяется большое количество энергии. Реакция деления сопровождается  вылетом  двух-трех  новых  нейтронов,  которые  инициируют
самоподдерживающуюся цепную реакцию с непрерывным выделением энергии. Самоподдерживающаяся цепная реакция возможна
лишь при наличии определенной массы делящегося вещества – так
называемой критической массы. Если масса делящегося вещества
меньше  критической,  то  количество  нейтронов,  вылетающих
с поверхности, превышает количество сохраняющихся в объеме;
в этом случае самоподдерживающаяся цепная реакция не возникает. С увеличением массы вещества количество нейтронов, остающихся в нем, увеличивается. В процессе деления образуются две
группы  нейтронов:  мгновенные  и  запаздывающие.  Мгновенные
нейтроны составляют примерно 99 % общего количества нейтронов и вылетают в течение очень короткого промежутка времени –
порядка 10–14 с. Запаздывающие нейтроны – это результат избыточного по сравнению со стабильными изотопами содержания нейтронов в осколках деления ядер урана или плутония (Ва, Кr и др.)
и последующего β-распада осколков деления радиоактивных ядер.
Запаздывающие нейтроны выделяются в течение нескольких десятков секунд после акта деления. Нейтроны, образующиеся в процессе деления  235U, в свою очередь могут произвести деление новых
ядер. Таким образом, на каждый израсходованный нейтрон в процессе реакции деления возникает в среднем 2,5 новых нейтрона,
которые  поддерживают  цепную  реакцию.  Существование  ~1 %
запаздывающих нейтронов дает возможность контролировать цепную реакцию в ядерных реакторах. Если бы не было запаздывающих нейтронов, то цепная реакция носила бы только взрывной характер и управлять ядерными реакторами было бы невозможно.
При  делении  ядра  урана  выделяется  энергия  порядка
195–200 МэВ: бóльшая ее часть, около 168 МэВ, выделяется в виде
кинетической энергии осколков деления; около 24 МэВ выделяется
при дальнейшем радиоактивном распаде в виде β-частиц, γ-излучения и нейтрино; оставшаяся энергия уносится нейтронами деления
и мгновенным γ-излучением. Кинетическая энергия осколков деле8

ния и радиоактивных частиц почти мгновенно превращается в тепловую энергию, в результате чего увеличивается температура урана и окружающих его материалов. 
Выделение энергии – важнейший результат процесса деления
с  точки  зрения  атомной  энергетики  и  ядерных  двигателей.
Уран-235 испытывает деление как при захвате медленных (тепловых) нейтронов с энергией 0,025 эВ, так и быстрых нейтронов с малым эффективным сечением. Уран-238 испытывает деление только
при захвате быстрых нейтронов с энергией не менее 1,1 МэВ. При
захвате медленных нейтронов  238U превращается в  239Pu. Плутоний-239, как и уран-235, делится как при захвате медленных нейтронов, так и при захвате быстрых нейтронов. Поскольку вероятность процесса деления на быстрых нейтронах в сотни раз меньше
по сравнению с вероятностью деления на медленных нейтронах,
в ядерных реакторах применяется процесс замедления нейтронов.
Вещество, которое эффективно замедляет быстрые нейтроны, называется замедлителем, а процесс снижения скорости нейтронов –
замедлением. Перемещаясь среди молекул какой-либо среды, нейтроны после некоторого числа рассеивающих столкновений приобретают  энергию,  приблизительно  равную  средней  кинетической
энергии частиц этой среды. Эта энергия зависит от  температуры
среды и поэтому называется тепловой. Нейтроны, энергия которых
уменьшилась до значений, лежащих в области тепловой энергии,
называются тепловыми нейтронами. При комнатной температуре
скорость тепловых нейтронов равна 2200 м/с. Этой скорости соответствует энергия 0,026 эВ. Наилучшим замедлителем является тяжелая вода (D2O). Основной ее недостаток – высокая стоимость.
В качестве замедлителя могут также применяться графит, бериллий
или окись бериллия, природная вода. 
Однако реакторы, работающие на быстрых нейтронах, обладают рядом преимуществ по сравнению с тепловыми реакторами.
Главное преимущество заключается в том, что благодаря более выгодному балансу между процессами деления и радиационного захвата нейтронов в реакторе на быстрых нейтронах можно осуществить
процесс расширенного  воспроизводства  ядерного топлива, в ходе
которого создается новое ядерное топливо – плутоний-239, причем
в бóльших количествах, чем сгорает ядер первичного топлива.
9

2. Процесс радиоактивного распада
Энергия атомного ядра выделяется не только в процессе его
деления,  но  и при испускании  им различных  частиц (α-частиц,
β-частиц, γ-квантов), имеющих или не имеющих электрический заряд. Процесс выделения частиц сопряжен с превращением ядра одного элемента в ядро другого элемента. Вышеупомянутые частицы
(α, β, γ) обладают меньшей энергией по сравнению с энергией деления атомов, однако энергия радиоактивного распада также находит
достаточно широкое применение: например, радиоактивное α-излучение окиси плутония-238 используется для получения энергии,
необходимой для работы аппаратуры космических кораблей. 
Атомы всех  элементов можно  разделить на две основные
группы. К первой группе относятся стабильные атомы, ядра которых могут существовать бесконечно долго без изменений. Ко второй группе относятся нестабильные атомы, ядра которых способны
превращаться в ядра других элементов с испусканием различных
частиц. Нестабильные элементы принято называть радиоактивными, а процесс их превращения – радиоактивным распадом. Радиоактивность – весьма распространенное явление. Так, из 1500 известных нуклидов только 265 являются стабильными. При этом все
изотопы элементов тяжелее свинца и многие изотопы более легких
элементов радиоактивны. Существует несколько видов радиоактивного распада, отличающихся друг от друга характером ядерных
превращений и типами вылетающих частиц. 
Ядра радиоактивных элементов распадаются, как правило, не
сразу после своего образования, а спустя некоторое время. До распада ядро никак не проявляет своей неустойчивости, во всех отношениях ведет себя подобно ядрам стабильных элементов и является центром нормального атома. Но в какой-то момент внезапно
происходит акт распада – из ядра вылетает та или иная частица,
при этом ядро меняет свои характеристики и соответственно меняется структура электронных оболочек атома. Для отдельного ядра
предсказать заранее момент распада невозможно. Установлено, что
время жизни ядра не зависит от истории: ядро, довольно долго про10