53. Алюминиевые сплавы и их применение в ядерной энергетике

В качестве конструкционных материалов в реакторостроении используют металлы и их сплавы. Это связано с тем, что сплавы металлов обладают высокой прочностью при достаточном уровне пластичности, способны упрочняться при пластической деформации.

Чистые металлы в атомной энергетике применяются ограниченно, там, где требуются высокая пластичность и отсутствие примесей:

1. Al высокой чистоты – для оболочек ТВЭЛов исследовательских реакторов;

2. Al технической частоты (содержание примесей не более 0,5%) – для изготовления баков исследовательских реакторов и ряда узлов АЗ.

Применение сплавов на основе Al:

1. изготовление оболочек ТВЭЛов и технологических каналов водоохлаждаемых реакторов для производства плутония;

2. изготовление каналов СУЗ канальных кипящих реакторов.

Максимальная рабочая температура, при которой могут использоваться сплавы Al c водным теплоносителем, 523 К.

Низкое сечение поглощения ТН в случае его использования в АЗ позволяет работать на природном U и при большом выгорании. Малое сечение захвата ТН, низкая плотность делают алюминий весьма перспективным для реакторостроения. Температура плавления Al невысока, он не претерпевает структурных превращений до температуры плавления.

Сплавы, легированные Ni и Fe, применяются для изготовления оболочки ТВЭЛов, эксплуатирующихся при температуре до 473 К. Более прочные сплавы типа 6061 применяются для изготовления технологических каналов.

Значительное упрочнение Al может быть достигнуто введением в него окисла Al.

Сплавы Al, кроме металлокерамических, достаточно пластичны и этом смысле технологичны. Из них легко изготавливаются изделия методом прессования, выдавливания. Сварка сплавов Al встречает некоторые трудности, однако процесс этот освоен и широко применяется при изготовлении ТВЭЛов. Изделия из сплавов Al могут быть соединены пайкой или склеиванием. К сплавам, идущим на изготовление оболочек, предъявляют требования высокой пластичности. От сплавов, идущих на изготовление каналов и других конструкций АЗ, требуется высокая прочность.

Материалы оболочек должны быть совместимы с ядерным топливом. Взаимодействие между U и Al начинается при температуре 523 К. При 523 К за 2000 ч в результате взаимодействия возникает интерметаллидный слой толщиной 0,025 мм. Двуокись урана совместима с Al до температуры 533 К, карбид и нитрид U – до 813 К.

Радиационная стойкость. Вследствие низкой температуры рекристаллизации радиационные повреждения Al и его сплавов невелики. Имеет место повышение предела текучести и прочности при сохранении пластичности (для предварительно упрочненных материалов) или снижение ее до допустимого уровня. Нейтронное облучение скорее улучшает, чем ухудшает механические свойства Al и его сплавов.

У сплавов Al низкая коррозионная стойкость при температурах 523-573 К в воде и пароводяной смеси. Длительная и надежная работа изделий из Al и его сплавов в водоохлаждаемых реакторах при температуре ниже 523 К в значительной степени определяется их коррозионной стойкостью, которая существенно зависит от качества воды, конструкционных особенностей (наличие щелей и зазоров, контактов с другими материалами), состава сплавов, облучения и т.д.

UAl₂ и UAl₃ образуют металлические пленки, сцепленные с U, и, по-видимому, не влияют существенно на теплопередачу и контакт U и Al. Интерметаллид UAl₄ не образует фазу, хорошо сцепленной с Al или UAl₃. UAl₄ рассыпается в порошок, при этом нарушается контакт U с Al.

Для улучшения совместимости между оболочкой ТВЭЛа и топливом создают диффузионный барьер, помещая, например, Ni между U и Al. Интерметаллические соединения в системе U-Ni растут значительно медленнее, чем в системе U-Al. Образование на поверхности Al слоя Al₂O₃ толщиной 20 мкм предотвращает взаимодействие с U до 823 К. Испытания продолжительностью 200 ч на совместимость Al с U показали, что Al c U несовместим.