Оболочки твзлов являются одним из основных компонентов, определяющих их работоспособность. К ним предъявляются очень жесткие требования по коррозионной стойкости, механической прочности в сочетании с хорошей пластичностью (оболочки должны сохранить определенную пластичность до конца эксплуатации твэлов). Достаточно жесткие требования предъявляются по исходной геометрии оболочек и стабильности ее при облучении.
Оболочки твэлов работают в очень тяжелых условиях:
1) мощное радиационное воздействие всех видов облучения;
2) высокая температура топливного сердечника, достигающая в центре 2100-2500 °С;
3) высокое давление теплоносителя, достигающее 16 МПа;
4) коррозионное воздействие теплоносителя с внешней стороны и топлива, и газовых продуктов деления — с внутренней;
5) плотный контакт оболочки с топливом вследствие его распухания;
6) длительная кампания твэлов: 3-5 лет для АЭС и до 8-10 лет для ACT.
При этом надо учесть, что КТР топлива, оксида урана примерно в 1,5 раза больше, чем у возможных для этих целей металлов. Поэтому при изменении по разным причинам мощности реактора, следовательно, и температуры твэлов, в оболочках возникают большие знакопеременные нагрузки, крайне отрицательно сказывающиеся на работоспособности твэлов.
Из перечисленных условий работы можно представить основные требования к материалу оболочки. При этом надо иметь в виду еще одно чрезвычайно важное требование: материал оболочки должен иметь минимальное сечение захвата тепловых нейтронов. Лучше других этим требованиям удовлетворяет цирконий. Но цирконий необходимо очистить от его постоянного спутника — гафния, обладающего большим сечением захвата нейтронов. Допустимое содержание гафния ограничено 0,01-0,05 % (содержание его в рудах составляет 2-2,5 % содержания циркония). Однако чистый цирконий не удовлетворяет требованиям по механическим и коррозионным свойствам, поэтому его используют в виде сплавов. В странах СНГ используется сплав цирконий с 1 % Nb, за рубежом — более сложно легированные сплавы циркалой-2 и циркалой-4. На этих оболочечных сплавах и базируется во всем мире ядерная энергетика.