3.1.2. Стали и сплавы для реакторных установок с натриевым теплоносителем

а) Материалы корпуса реактора, основного внутриреакторного оборудования и натриевых трубопроводов

Требования к материалу корпуса:

• достаточный уровень механических свойств при длительной высокотемпературной эксплуатации, в том числе и при облучении быстрыми нейтронами;

• сопротивление термоциклическим нагрузкам (до 1000 раз) на большой временной базе (1х10⁵ часов);

• сопротивление локальному расширению околошовной зоны;

• коррозионная стойкость в натрии с учетом переноса натрия;

• сопротивление износу и самосвариванию;

• технологичность при металлургическом переделе и сварке.

Для изготовления корпуса реактора, внутрикорпусного оборудования (ВКО) и трубопроводов отечественных натриевых установок были разработаны и рекомендованы нестабилизированные аустенитные стали марок 09Х18Н9 (10Х18Н9), 08Х16Н11М3, а для литья - сталь 10Х18Н12М3Л. Перечень реакторных установок и используемых в них аустенитных сталей и механических свойств сталей приведены в табл. (3.3.1.2.1. и 3.3.1.2.2.). Эти стали отличаются от сталей тепловой энергетики ограничением по содержанию титана ( 0,1 %), фосфора ( 0,020 %), серы ( 0,015 %), углерода ( 0,1 %) и неметаллических включений [1].

Сталь марки 08Х16Н11М2 разработана применительно к более нагруженным деталям, а также деталям с повышенной температурой эксплуатации и высокими требованиями по сопротивлению локальному разрушению в околошовной зоне (детали промежуточного теплообменника).

б) Материалы для парогенераторов

Основные требования к материалам парогенераторов быстрых реакторов с натриевым охлаждением [1]:

• высокие механические свойства в исходном состоянии и при длительном воздействии температуры;

• коррозионная стойкость в натрии, включая процессы обезуглероживания и науглероживания поверхности;

• коррозионная стойкость в воде, пароводяной среде и паре, включая зоны накопления отложений и ухудшенного теплообмена;

• технологичность при сварке и в металлургическом производстве.

В большинстве стран самыми приемлемыми по совокупности критериев признаны перлитные низколегированные стали на базе 2,25 % хрома и 1 % молибдена, приведенные в табл. (3.3.1.2.3.).

В связи с низкой сопротивляемостью стали 10Х2М к обезуглероживанию и язвенной коррозии, были разработаны новые стали марок 05Х12Н2М и 03Х21Н32М3Б. Результаты их испытаний позволяют рассчитывать на увеличение ресурса парогенераторов натриевых установок в 2-3 раза.

3.1.3. Стали и сплавы для реакторных установок с теплоносителем на основе жидкого свинца

В этих реакторных установках материалы первого контура контактируют с теплоносителем - свинцом или эвтектикой свинец-висмут (44 % свинца, 56 % висмута) с температурой 420-550 ^оС. Подогрев в контуре ~150 ^оС для свинца и ~200 ^оС для свинцово-висмутовой эвтектики, скорость циркуляции от 0,5 до 4 м/с, давления небольшие - от 0,2 до 2,0 МПа. Спектр нейтронов в нейтронах - быстрый или промежуточный.

Материалы парогенератора и пароперегревателей одновременно контактируют с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем и пароводяной средой второго контура докритических или сверхкритических параметров. Тепловой поток с поверхности труб в некоторых конструкциях может достигать 1200 кВт/м².

Соответственно, важнейшими критериями выбора являются [1]:

• коррозионная стойкость;

• стойкость против жидкометаллического охрупчивания;

• сопротивление тепловому охрупчиванию сварных соединений и основного металла при температурах до 550 ^оС;

• стойкость против радиационного охрупчивания.

Для материалов корпуса и крупногабаритных узлов важным требованием является технологичность на всех стадиях передела, исключающая возможность последующей термической обработки в "полевых" (внезаводских) условиях. Применительно к трубной системе парогенератора дополнительным требованием является сопротивление коррозии в пароводяной среде, особенно стойкость против хлоридного коррозионного растрескивания.

Жидкометаллическая коррозия имеет место при содержании растворенного кислорода в свинце ниже 10^-7 - 10^-8 % (масс.). Во избежание этой коррозии прибегают к кислородному ингибированию, удерживая концентрацию кислорода в узком "коридоре", где минимально сочетание скоростей жидко-металлической коррозии и окисления. При переводе стали в пассивное состояние со сплошной окисной пленкой предотвращается не только жидкометаллическая коррозия, но и эффект жидкометаллического охрупчивания, так как поверхность стали уже не смачивается жидким свинцом.

Химический состав и механические свойства основных и сварочных материалов для ЯЭУ с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями показаны в табл. (3.3.1.3.1. и 3.3.1.3.2.). При использовании кислородного ингибирования в области температур до 550 ^оС оптимальной является аустенитная сталь марки 04Х15Н11С3МТ. Для активной зоны реактора подходит сталь 16Х12СМВФБР (ЭП-823), а для парогенератора - сталь 10Х9НСМФ. Ещё одним вариантом для труб парогенератора являются биметаллические трубы с внутренним слоем из высоконикелевой стали 03Х21Н32М3Б и наружным слоем из кремнистой стали 04Х15Н11С3МТ.

Для работы при температурах 500-550 ^оС применительно к проекту инновационного реактора БРЕСТ разработана новая аустенитная сталь марки 04Х15Н11С3МТ с устойчивой аустенитной структурой, характеризуемая высокой стабильностью механических свойств при тепловых выдержках и устойчивостью к нейтронному облучению. В качестве сварочного материала рекомендуется проволока из стали Св-04Х15Н9С2В2. Для трубной системы парогенератора реактора БРЕСТ наиболее приемлемой является 9 %-ная хромистая сталь легированная кремнием (1,5 %) марки 10Х9НСМФ, обладающая достаточно высокой стойкостью против окисления в жидком свинце и хлоридного коррозионного растрескивания в пароводяной среде. Предел длительной прочности этой стали за 10 тыс. часов при температуре 530 ^оС составляет 130 МПа [2].