Цирконий и его сплавы

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 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 растворяет 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.