- •Глава I. Ядерный топливный цикл.
- •1.3. Осколки деления, мгновенные и запаздыващие нейтроны.
- •Глава 2. Способы преобразования энергии деления в полезную работу
- •2.2.Преобразование теплоты в электроэнергии через механическую работу
- •2.3.Прямэе преобразование тепла в электричество
- •2.4. Другие способы превращения энергии деления в полезную работу
- •Глава 3. Материалы для ядерных реакторов.
- •3.1.Типовая конструкция твэлов
- •3.2.Топливо
- •3.3.Конструкционные материалы
- •3.4.Теплоносители
- •3.5.Замедлители
- •3.6.Поглотители
3.3.Конструкционные материалы
Очень ответственной деталью, непосредственно прилегающей к топливу, является оболочка твэла. Оболочки твэлов работают в сложных условиях высоких температур и активных сред. Самый главный вредный фактор - все виды излучения, возникающие в реакторе, проходят через оболочку либо от топлива наружу твэла, либо извне твэла к топливу. Кроме того, оболочки могут изнашиваться от воздействия дистанционирующих и других узлов, с которыми контактируют твэлы, подвергаться коррозии и эррозии (вымыванию) как со стороны теплоносителя, так и со стороны топлива (например, под воздействием продуктов деления).
На наружных поверхностях оболочек могут откладываться продукты коррозии других элементов реактора.
Основные требования к материалам оболочек.
Низкое сечение захвата нейтронов в рабочем спектре реактора.
Коррозионная и эрозионная стойкость в теплоносителях при заданных параметрах, совместимость с топливом и продуктами деления.
Высокая теплопроводность.
Удовлетворительные механические свойства (прочность, пластичность, ползучесть) с учетом воздействия излучений, вызывающих изменения этих свойств.
Технологичность, т.е. возможность изготовления труб и других требуемых профилей, свариваемость и т.д.
Экономичность и доступность.
В дальнейшем нам понадобятся параметры некоторых конструкционных материалов, приведенные в табл. 3.2.
Таблица 3.2
материал |
Плотность г/см3 |
Температ. Плавления оС |
Коэффиц. Теплопр. Вт/(м,с) |
Сечение Поглощ. барн |
Al |
2.7 |
660 |
210 |
0.215 |
Mg |
1.74 |
651 |
159 |
0.059 |
Zr |
6.5 |
1845 |
23.9 |
0.180 |
Нерж.ст. |
7.95 |
~1400 |
14.6 |
2.880 |
графит |
1.65 |
~3650 |
130-170 |
0.0045 |
АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ
Алюминий и его сплавы обладают очень высокой теплопроводностью и малым сечением захвата тепловых нейтронов, стойки в воде. Могут использоваться при температурах до 300°С. Поэтому используются в низкотемпературных (например, исследовательских, бассейнового типа) реакторах, в том числе в контакте с металлическим ураном.
МАГНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ
Магний и его сплавы имеют низкое сечение поглощения нейтронов, высокую теплопроводность, достаточно дешевы и доступны. Например, сплав магнокс (легирование ~0.6% Zr, 0.8% Al) имеет неплохие механические и коррозионные свойства. Однако магний и его сплавы нестойки в воде.
Поэтому в водяных реакторах не применяются. Основное применение магнокс получил в газоохлаждаемых реакторах, где теплоноситель - CO2 (английские и французские реакторы с металлическим ураном в качестве топлива). Применяется при температурах до 400°C.
ЦИРКОНИЯ И ЕГО СПЛАВЫ
Цирконий и его сплавы очень хороши для реакторов на тепловых нейтронах. У них достаточно низкое сечение захвата тепловых нейтронов и неплохая теплопроводность.
Но чистый цирконий не обладает хорошими механическими свойства ми. Поэтому его легируют ванадием и/или ниобием. Сплав циркалой, применяемый в российской ядерной энергетике - это Zr+(1-3)%Nb. Легированием добиваются улучшения не только механических, но и коррозионных свойств.
Дело в том, что цирконий имеет большую активность к водороду и
O2. При T-400°с возникает бурная реакция с водородом: Zr растворяет водород и образуются гидриды циркония, в результате чего исходный материал сильно охрупчивается. Специальной технологией эта склонность снижается. Но этот недостаток устранить полностью практически невозможно. Тем не менее, циркалой широко применяется в реакторах типа ВВЭР и РБМК.
НЕРЖАВЕЮЩИЕ СТАЛИ
У сталей хорошие механические свойства, но меньший, чем у других материалов, коэффициент теплопроводности и очень высокое сечение захвата тепловых нейтронов. Они коррозионно стойки в воде до 360°С, а в водяном паре, газах и жидких металлах до 650°С.
Понятно, что для реакторов на быстрых нейтронах больное сечение захвата тепловых нейтронов особого значения не имеет. Поэтому нержавеющие стали - основной конструкционный материал для таких реакторов. Был неплохой опыт их использования и в реакторах на тепловых нейтронах (AM Первой в мире АЭС, АМБ-100 и АМБ-200 Белоярской АЭС).
ГРАФИТ
Графит используется для оболочек паровых твэлов в высокотемпературных газоохлаждаемых реакторах. Высокая теплопроводность и очень низкое сечение захвата тепловых нейтронов - большое достоинство этого материала. Графит технологичен. Из него прессованием можно получать
изделия различной геометрической формы, он легко обрабатывается механически. С топливом графит хорошо совместим. Однако ему требуется строгое соблюдение газового режима, т.к. графит выгорает.
Для обеспечения герметичности графитовых оболочек твэлов используются покрытия из пироуглерода (PyC) и карбида кремния (SiC). Пироуглерод - форма графита, при которой большинство атомов расположено в виде параллельных слоев. Он хорошо задерживает газообразные продукты деления - Хe, Сr, а карбид кремния - эффективная преграда для твердых осколков деления.