19. Конструкционные материалы ядерного реактора. Основные требования, предъявляемые к конструкционным материалам.

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	660	23,8	210	0,9	0,215
Магний	1,74	651	26,0	159	1,05	0,059
Бериллий	1,85	1284	11,6	180	1,76	0,009
Цирконий	6,5	1845	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 (=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.