Контролирующие материалы на основе бора.

Бор – один из самых лучших материалов для контроля. Изотопный состав: 19% бора-10, 81% бора-11. Эффективное сечение бора-10 — 4010 барн. Бор-11 имеет намного меньшее сечение – 0,5 барн. Концентрация бора в земле составляет 0,001% (в виде боридов и кислот). Температура плавления 2300 градусов у чистого бора, температура кипения 2833 градуса. В чистом виде бор аморфный, имеет вид порошка черного цвета. В результате перегонки получают кристаллический бор. Контролирующие стержни вводят в виде карбида бора (), бораль – бора с алюминием и другие.

Карбид бора представляет собой кристаллический порошок. Получают в результате реакции оксида бора и графита. Карбид бора обладает повышенной теплопроводностью, устойчив в окислительной среде (до 800K). В присутствии воздуха или угольной кислоты образуется триоксид бора-2,3 с низкой температурой плавления, поэтому необходимо избегать условий контакта бора с воздухом, с , особенно при высоких температурах.

При изготовлении контролирующих стержней на основе карбида бора необходимо учитывать, что он легко реагирует с никелем, с нержавеющей сталью и медью (но в меньшей степени). При использовании карбида бора при облучении в течении 3000 часов происходит выгорание 0,3-0,4% поглощающего материала.

Карбиды бора используются в кипящих реакторах (стержни с крестообразным сечением), а также на реакторах с быстрыми нейтронами (используется карбид бора с бором-10 до 90%).

Сплавы на основе кадмия

Кадмий – материал, хорошо поглощающий нейтроны, но его использование в качестве контролирующего материала ограничено относительно низкой температурой плавления (594К), а также обладает гамма-излучением, которое появляется в результате захвата нейтронов. По распространённости кадмия меньше (). Кадмий окисляется на воздухе и покрывается оксидом серого цвета, не реагирует с водой, но скорость коррозии растёт резко с ростом температуры. Сечение захвата – 2550 барн, но чаще используется сплавы кадмия (серебро-кадмий, серебро-кадмий-индий, тантал-кадмий). Эти сплавы используются на исследовательских реакторах, они обладают большой механической прочностью при низких температурах.

Индий

Индий включают в соединения с кадмием для улучшения поглощающих свойств, увеличения механической прочности и улучшения коррозионной стойкости (в аргентум-кадмий-индий). Используется в качестве поглощающих материалов на легководных реакторах. Наиболее часто используется сплав с 80% серебра, 15% индия и 5% кадмия. Такой сплав используется для регулирования реактивности на кипящих реакторах.

Тантал

Сплав с танталом обладает более высокими поглощающими свойствами, так как у тантала сечение захвата нейтронов составляет 17000 барн.

Гафний

Гафний используется для стержней кипящих реакторов. Обладает хорошей коррозионной стойкостью в воде.

Редкоземельные элементы

Используются также редкоземельные элементы – гадолиний, самарий, диспрозий, европий, так как они имеют малую коррозионную стойкость, легко окисляются, поэтому чаще используются в виде оксидов или твёрдых растворов в металлической матрице.

Перспективы

Несмотря на большое количество поглощающих материалов и разнообразия органов контролирования, продолжаются разработки и поиск новых более радиационно-стойких материалов, как в России, так и за рубежом. Пытаются достичь ресурса 30-40 лет, что сопоставимо с ресурсом атомной станции.

В настоящее время большое внимание уделяется композиционным материалам, таким как:

Сохранение работоспособности органов регулирования в аварийных ситуациях становится главной задачей при проектировании.

Только в России исследовано более 200 поглощающих композиций и накоплен большой опыт о новых радиационно-стойких поглотителях.

Важный критерий – низкая стоимость и технологичность изготовления.