Ydinmateriaalit

Ydinmateriaalit ovat materiaaleja, joita käytetään ydinvoimaloiden ja ydinenergian sovellusten rakentamisessa ja toiminnassa. Niiden on kestettävä suuria lämpötiloja, intensiivistä neutronisädettä sekä korroosiota ja mekaanista kuormitusta. Ydinmateriaalit jaotellaan pääryhmiin: polttoaineisiin, polttoainesauvojen kuoriin sekä rakenteellisiin ja moderaatio- sekä jäähdytysmateriaaleihin. Ominaisuudet kuten korkea lämmönkestävyys, alhainen neutronien absorptio, hyvä säteilyvastus ja valmistettavuus määrittävät niiden soveltuvuutta ja turvallisuutta.

Polttoaineet: Ydinpolttoaineena käytetään yleensä uraanioksidia (UO2) pelletteinä, jotka sijoitetaan polttoainesauvoihin. Rikastettu uraani sekä MOX-polttoaine (UO2 + PuO2) ovat yleisiä vaihtoehtoja. Polttoaineen käytön aikana tapahtuva burn-up johtaa fissiokaasujen vapautumiseen sekä pelletin ja kuoren väliseen vuorovaikutukseen, mikä vaikuttaa lämmönsiirtoon, jäähdytykseen ja paineenhallintaan reaktorissa.

Kuoret ja rakenteelliset materiaalit: Polttoainesauvojen kuoret ovat tyypillisesti zirkoniumseoksista valmistettuja, mikä sallii hyvän neutronin läpäisyn ja tarjoaa suojaa mekaaniselta kulumiselta sekä korroosiolta. Runkomateriaalit voivat olla ruostumattomia teräksiä tai muita kestäviä, säteilyä sekä korkean lämpötilan ja kosteuden vaikutuksia vastaan soveltuvia seoksia. Säteily muuttaa mikrorakennetta ja voi johtaa kovettumiseen sekä hauraantumiseen, joita suunnittelussa kompensoidaan.

Jäähdytys ja moderaatiomateriaalit sekä haasteet: Useimmat reaktorit käyttävät vettä jäähdytysnesteenä (kevyt vesi), joissakin tapauksissa raskasta vettä. Moderaattorit voivat olla vesi, raskas vesi tai grafiitti riippuen reaktorityypistä. Kehitys keskittyy turvallisuuden parantamiseen sekä polttoaineen ja kuorten kestävyyden lisäykseen; esimerkkeinä ovat accident-tolerant fuels ja edistyneet kuorimateriaalit.