2017-10-31
3372
Очень ответственная деталь конструкции твэла – его оболочка. Оболочки твэлов работают в сложных условиях высоких температур и активных сред. Кроме того они могут изнашиваться от воздействия дистанционирующих и других узлов, с которыми контактируют твэлы, подвергаться коррозии и эрозии как со стороны теплоносителя, так и со стороны топлива под воздействием продуктов деления; на их наружной поверхности могут откладываться продукты коррозии.
Из сказанного видно, что выбор конструкционных материалов для оболочек твэлов требует глубокого анализа и всестороннего изучения свойств применяемых материалов.
В первую очередь выбор материала определяется видом и параметрами теплоносителя. Из таких же материалов, что и оболочки твэлов, изготавливают другие узлы активной зоны.
Основные требования, которым должны удовлетворять конструкционные материалы, следующие:
- коррозионная и эрозионная стойкость в теплоносителях при заданных параметрах, совместимость с топливом;
|
|
|
- удовлетворительные механические свойства (прочность, пластичность, ползучесть) с учетом воздействия излучения, вызывающего изменения этих свойств;
- высокая теплопроводность;
- низкое сечение захвата нейтронов;
- технологичность (возможность получения труби других требуемых профилей, свариваемость);
- экономичность и доступность.
Основные конструкционные материалы, используемые для элементов активной зоны, и их свойства приведены в таблице.
Таблица
Основные конструкционные материалы, используемые в активных зонах ядерных реакторов, и их главные свойства
| Материал | Плотн., 103 кг/м3 | Т плавл., 0С | Коэф. линейн. расшир., 10-6 1/0С | Коэф. теплопр, Вт/м×0С | Удельная теплоемкость, кДж/кг×0С | Сечение погл. тепл. нейтр, б |
| Алюминий | 2,7 | 23,8 | 0,9 | 0,215 | ||
| Магний | 1,74 | 26,0 | 1,05 | 0,059 | ||
| Бериллий | 1,85 | 11,6 | 1,76 | 0,009 | ||
| Цирконий | 6,5 | 5,8 | 23,9 | 0,29 | 0,18 | |
| Сталь Х18Н10Т | 7,95 | 1400-1425 | 16,0 | 14,6 | 0,5 | 2,88 |
| Графит | 1,65 | Возгор. t=3650±250С | 5-3 | 170-130 | 0,72 | 0,0045 |
Алюминий и его сплавы широко применяются для низкотемпературных реакторов с водяным и органическим теплоносителями при температуре не выше 250-3000С. Предел прочности сплавов при 200С равен 120-150 МПа, а предел текучести 40-60 МПа; при температуре порядка 2000С эти показатели соответственно снижаются до 90-100 и 30-40 МПа.
Алюминиевые сплавы обладают очень высокой теплопроводностью и низким сечением захвата тепловых нейтронов. Они технологичны, широко применяются в технике6. Все это делает их привлекательными для использования в реакторостроении.
Магний и его сплавы также вызывают интерес как материалы для изготовления твэлов. Магний имеет низкое сечение поглощения нейтронов, высокую теплопроводность, дешев и доступен. Легируют магний цирконием, алюминием, торием, цинком, марганцем, при этом получают сплавы с удовлетворительными механическими и коррозионными свойствами. Чистый же магний при температуре до 1000С имеет низкую пластичность (d=5¸10%), при температуре 400-8000С в чистом магнии во много раз увеличивается размер зерна, что еще больше снижает его пластичность. Из сплавов магния широкое распространение получил магнокс (легирование 0,5-0,7% Zr и
0,8% Al), используемый в английских и французских графитовых реакторах, охлаждаемых углекислым газом с температурой 330-4000С.
|
|
|
Возможно использование в активных зонах ядерных реакторов бериллия вследствие чрезвычайно низкого сечения поглощения нейтронов (0,009 б) и высокой теплопроводности. Однако бериллий при температуре до 2000С обладает пластичностью, близкой к 0, а при температуре 200-3000С пластичность бериллия не превышает 10%. Другой недостаток бериллия – его высокая токсичность, вследствие которой необходимо принимать строжайшие меры безопасности при обращении с ним.
Один из самых широко распространенных материалов, применяемых в конструкции активных зон, - цирконий. В России и за рубежом разработано несколько сплавов циркония, которые используются для оболочек твэлов, труб топливных каналов, различных деталей ТВС.
Цирконий имеет низкое сечение поглощения нейтронов (по этому показателю он уступает только магнию и бериллию) и довольно высокую температуру плавления.
Применяемые сплавы циркония обладают хорошей коррозионной стойкостью в воде, пароводяной смеси, насыщенном и перегретом паре до температуры порядка 350-3600С. Ожидается, что в перспективе температурный предел работы циркониевых сплавов будет существенно повышен. Механические свойства чистого циркония невысоки. Легированием добиваются наряду с обеспечением достаточной коррозионной стойкости и повышения механических свойств. Так, предел текучести сплава Zr-1% Nb, применяемого в СССР для оболочек твэлов, при температуре 20, 200, 300 и 4000С соответственно равен 200, 160, 120 и 90 МПа, а сплава Zr-2,5% Nb, применяемого для канальных труб реакторов типа РБМК, при тех же температурах – 280, 220, 200, 180 МПа. Циркониевые сплавы обладают и довольно высокой пластичностью (порядка 20-40%).
К неудовлетворительным механическим свойствам циркониевых сплавов следует отнести их высокую ползучесть при температуре 320-3500С и выше. Это свойство необходимо учитывать при конструировании узлов активных зон. Кроме того, цирконий раствоярет водород, возникающий в процессе коррозии, при этом образуются гидриды циркония, в результате чего пластичность циркония падает и он может сильно охрупчиваться. Особенно вредны гидриды, расположенные радиально. Соответствующими технологическими методами обработки удается существенно понизить склонность циркония к выделению радиально ориентированных гидридов.
Всесторонние исследования циркониевых сплавов, проведенные за многие годы, позволили обеспечить высокую работоспособность узлов и деталей из них в водоохлаждаемых реакторах.
Для реакторов с температурой теплоносителя 500-5500С (а в некторых случаях и с более низкой) в настоящее время применяют аустенитные нержавеющие стали типа Х18Н10Т. Такие стали коррозионно-стойки в воде до 3600С, а в водяном паре и жидких металлах – до 6500С.
Механические свойства аустенитных нержавеющих сталей как при низкой, так и при рабочей температуре достаточно высокие. Например, предел прочности при 200С равен 650 МПа, при 5000С – 430 МПа, а при 6500С – 355 МПа, предел текучести при тех же температурах составляет 270, 170 и 160 МПа. Эти стали обладают и высокой пластичностью. Коэффициент относительного удлинения во всем диапазоне рбочих температур не бывает ниже 25-27%.
|
|
|
Теплопродность хромоникелевых сталей невысока: коэффициент теплопроводности порядка 14-15 Вт/(м×0С). Недостатком является и сравнительно высокое сечение поглощения тепловых нейтронов – 2,88 б. В технологическом отношении эти стали обладают удовлетворительными свойствам: из них получают нужные профили; они свариваются. Недостаток – большое сечение захвата тепловых нейтронов. Это недостаток не является существенным для реакторов на быстрых нейтронах. Нержавеющие стали используются в БР, реакторах с натриевых теплоносителем.
Основной конструкционный материал в высокотемпературных ядерных реакторах – графит, который используется и как замедлитель, и как материал для изготовления оболочек твэлов. Графит имеет сложную структуру. Многие его свойства существенно зависят от кристаллографического направления.
При высокой температуре графит может окисляться и выгорать. С целью предотвращения выгорания графита при эксплуатации необходимо обеспечивать строгое соблюдение газового режима, отсутствие в газе кислорода и других примесей в количествах, выше допустимых. С топливом, которое применяется в высокотемпературных реакторах, графит при рабочей температуре хорошо совместим.
Механические свойства графита сильно зависят от технологии изготовления графитовых узлов и направления приложения усилий. С увеличением плотности прочность повышается. При температуре 200С предел прочности на растяжение может изменяться от 7 до 21 МПа, на сжатие от 21 до 35 МПа, а предел прочности на изгиб – от 7 до 30 МПа. С увеличением температуры прочность графита растет, и при 28000С она примерно вдвое выше, чем при комнатной температуре.
Графит имеет высокую теплопроводность, сравнимую с теплопроводностью таких металлов, как бериллий, алюминий, магний, и низкий коэффициент линейного расширения. Сечение захвата тепловых нейтронов графитом в 2 раза ниже, чем бериллием. Графит технологичен. Из него прессованием можно получать изделия различной геометрической формы, он легко обрабатывается механически.
|
|
|
Для обеспечения герметичности графитовых оболочек твэлов используются покрытия из пироуглерода (PyC) и карбида кремния (SiC). Пироуглерод – это форма графита, при которой большинство атомов углерода расположено в виде параллельных слоев. Пироуглерод хорошо задерживает газообраные осколки деления – ксенон, криптон, а карбид кремния служет эффективным барьером для твердых осколков деления.
В настоящем параграфе изложены лишь основные свойства и характеристики топливных и конструкционных материалов. Более подробные сведения – в специальных курсах по материаловедению.
