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»
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
Х17

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 яв-
ляется 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 об-
разуется в результате деления атомов и характеризуется большой
энергией взаимодействия  частиц,  составляющих  ядро, примерно
в миллион раз превышающей химическую энергию того же количе-
ства 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, суммар-
ная  энергия  которых  составляет  ~4 · 107 эВ. В  итоге  суммарная
энергия, выделяющаяся при делении ядра урана, приблизительно рав-
на 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 но-
сит 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 ура-
на, выделяют при делении столько же энергии, сколько образуется
при взрыве 20000 тонн тринитротолуола – одного из самых мощ-
ных взрывчатых веществ. Один килограмм и 20000 тонн – таково
соотношение ядерной и химической энергии. 
4

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

1. Физика процесса деления
Использование атомной энергии как в военных (атомная бом-
ба),  так и в  мирных  (ядерный  реактор)  целях  основывается  на
способности ядер некоторых элементов делиться под действием
медленных и быстрых нейтронов. Нейтроны деления, проходя че-
рез вещество, взаимодействуют с атомными ядрами. Реакции, про-
текающие 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 деле-
ния. Продуктами этой реакции являются новые, как правило, ра-
диоактивные ядра. Их образование сопровождается испусканием
протона, α-частицы или γ-излучением.
3. Рассеяние нейтронов, в результате которого нейтроны те-
ряют 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). Попереч-
ное сечение ядерной  реакции является важной характеристикой
элементов, его значение определяет возможность использования
материала в атомной энергетике. Например, материалы, применяе-
мые в качестве замедлителей, должны иметь высокие значения рас-
сеяния и низкие значения поглощения. Поперечное сечение погло-
щения различно для разных изотопов и сильно зависит от энергии
нейтронов. 
Наиболее  распространенными  делящимися  элементами  яв-
ляются 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, остаю-
щихся в нем, увеличивается. В процессе деления образуются две
группы  нейтронов:  мгновенные  и  запаздывающие.  Мгновенные
нейтроны составляют примерно 99 % общего количества нейтро-
нов и вылетают в течение очень короткого промежутка времени –
порядка 10–14 с. Запаздывающие нейтроны – это результат избы-
точного по сравнению со стабильными изотопами содержания ней-
тронов 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 десят-
ков секунд после акта деления. Нейтроны, образующиеся в процес-
се деления  235U, в свою очередь могут произвести деление новых
ядер. Таким образом, на каждый израсходованный нейтрон в про-
цессе реакции деления возникает в среднем 2,5 новых нейтрона,
которые  поддерживают  цепную  реакцию.  Существование  ~1 %
запаздывающих нейтронов дает возможность контролировать цеп-
ную реакцию в ядерных реакторах. Если бы не было запаздываю-
щих нейтронов, то цепная реакция носила бы только взрывной ха-
рактер 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-излуче-
ния и нейтрино; оставшаяся энергия уносится нейтронами деления
и мгновенным γ-излучением. Кинетическая энергия осколков деле-
8

ния и радиоактивных частиц почти мгновенно превращается в теп-
ловую энергию, в результате чего увеличивается температура ура-
на 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 (тепло-
вых) нейтронов с энергией 0,025 эВ, так и быстрых нейтронов с ма-
лым 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. Плуто-
ний-239, как и уран-235, делится как при захвате медленных ней-
тронов, так и при захвате быстрых нейтронов. Поскольку вероят-
ность 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, на-
зывается замедлителем, а процесс снижения скорости нейтронов –
замедлением. Перемещаясь среди молекул какой-либо среды, ней-
троны после некоторого числа рассеивающих столкновений приоб-
ретают  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 соот-
ветствует энергия 0,026 эВ. Наилучшим замедлителем является тя-
желая 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, обла-
дают рядом преимуществ по сравнению с тепловыми реакторами.
Главное преимущество заключается в том, что благодаря более вы-
годному балансу между процессами деления и радиационного захва-
та 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 за-
ряд. Процесс выделения частиц сопряжен с превращением ядра од-
ного элемента в ядро другого элемента. Вышеупомянутые частицы
(α, β, γ) обладают меньшей энергией по сравнению с энергией деле-
ния атомов, однако энергия радиоактивного распада также находит
достаточно широкое применение: например, радиоактивное α-излу-
чение 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 меня-
ется структура электронных оболочек атома. Для отдельного ядра
предсказать заранее момент распада невозможно. Установлено, что
время жизни ядра не зависит от истории: ядро, довольно долго про-
10

существовавшее на данный момент, может прожить еще дольше, а
только что образовавшееся ядро может тут же распасться. На скорость 
радиоактивного распада не влияют внешние факторы (давление, 
температура и др.) Самопроизвольный, т. е. спонтанный характер 
радиоактивного распада является одной из наиболее важных
его особенностей. 
Хотя ядра любого радиоактивного элемента имеют различную 
продолжительность жизни от момента образования до момента 
распада, тем не менее для каждого радиоактивного вещества существует 
вполне определенное среднее время жизни его ядер τ.
Если каждое ядро в среднем существует в течение времени τ, то за
очень малый промежуток времени dt вероятность распада ядра равна 
dt/τ. Если в данный момент времени в образце имеется N ядер,
то за время dt их число уменьшится на величину
.
Это уравнение выражает основной закон радиоактивного распада.
Отсюда можно получить зависимость числа нераспавшихся ядер
как функцию от времени:
,
где 
 – число ядер в начальный момент времени.
Иногда вместо среднего времени жизни τ пользуются обратной 
величиной, которую называют константой распада и обозначают 
буквой λ:
.
Наряду с τ и λ пользуются величиной, которую называют пе-
. Период полураспада – это
время, в течение которого количество ядер данного радиоактивного 
вещества уменьшается в 2 раза. Период полураспада выражается
через τ и λ:
11