Мы уже , в частности, его склонность к взаимодействию с водородом. При этом в зависимости от количества поглощенного водорода и температуры водород находится в цирконии или в растворенном виде, или в виде гидрида. Важно и то, что взаимодействие циркония с водородом, особенно находящимся в атомарном состоянии, начинается уже при температуре ниже 100 °С. Благоприятные условия для взаимодействия циркониевых оболочек с водородом наличествуют в легководных реакторах. При этом взаимодействие может происходить как с наружной, так и с внутренней стенками твэла. В теплоносителе водород появляется в результате взаимодействия оболочки с водой и радиолиза воды. Источником водорода внутри твэла являются таблетки, содержащие адсорбированный водород, и влага, адсорбированная таблетками и оболочкой твэла.
Растворимость водорода в цирконии и его сплавах при комнатной температуре весьма невелика и не превышает 0,001 %. С повышением температуры растворимость водорода увеличивается. Она зависит также и от состава сплава. Так, в циркалое-2 при 300 °С растворяется примерно до 0,015 % Н2, а при 350 °С — до 0,02 %. В сплаве Zr — 1 % Nb при 300 °С растворяется до 0,03 % Н2, т.е. заметно больше, чем в циркалое.
Таким образом, при температуре эксплуатации часть поглощенного водорода находится в циркониевых оболочках в твердом растворе, а избыток в виде гидридной фазы. При охлаждении оболочек до комнатной температуры почти весь поглощенный водород выделяется в виде гидрида. Выделение гидридной фазы в пересыщенных растворах происходит предпочтительно вдоль границ зерен, а их ориентация определяется внутренними напряжениями, текстурой металла и внешними воздействиями. Гидридные пластины могут действовать при определенных условиях как трещины, особенно при низких температурах, что объясняется хрупкостью самих гидридов.
В результате радиационного упрочнения циркониевых оболочек образующаяся в гидриде трещина может распространяться и на упрочненную матрицу. С понижением температуры охрупчивающее действие гидридов циркония усиливается. Однако и при повышенных температурах охрупчивающее действие гидридов сохраняется, если содержание водорода в материале превышает предел растворимости при этой температуре.
Наличие градиента температуры в стенке оболочки твэлов приводит к неравномерному распределению гидридов, а иногда и к образованию гидридного слоя на менее нагретой поверхности. Это усиливает вредное действие гидридов циркония в части образования трещин в оболочке.
Важно подчеркнуть, что наибольшую опасность представляют гидриды, ориентированные в радиальном направлении. На ориентацию гидридов могут оказать влияние и высокие напряжения, возникающие в оболочке при некоторых условиях эксплуатации твэлов.
Суммарное содержание водорода внутри твэлов относительно невелико, и при равномерном взаимодействии его с оболочкой отрицательное влияние на качество оболочки было бы пренебрежимо мало. Однако на практике наблюдается локальное гидрирование одного, как правило, очень небольшого участка оболочки (Sunbursts), и в этом случае водорода порой бывает достаточно для полного охрупчивания этого участка оболочки и разгерметизации твэла. Локальному гидрированию оболочки способствуют температурный градиент в оболочке, наличие дефектов, концентрация напряжений. На развитие процесса гидрирования оказывает влияние также качество оксидной пленки, которой покрыта внутренняя поверхность оболочки, и кислородный потенциал топлива, показывающий, насколько достаточна концентрация кислорода во внутритвэльной среде, чтобы постоянно поддерживать сохранность оксидной пленки. Защитные свойства оксидной пленки могут ослабить некоторые газовые продукты деления.
Локальное гидрирование оболочки изнутри является одной из частых причин разгерметизации твэлов. Наиболее эффективным способом борьбы с этим является значительное и гарантированное снижение содержания влаги и водорода в твэле, что достигается сушкой оболочек и таблеток перед снаряжением твэлов. Эффективным оказывается и применение специальных геттеров, интенсивно поглощающих водород, загружаемых в твэл вместе с топливными таблетками.