Действие облучения на сплавы циркония

1. Радиационный рост циркония, т.к. у α-циркония ГПУ- решетка. Рост контролируется за счет управления текстурой при термомеханической обработке, поэтому такой контролируемый рост приводит к удлинению твэлов.

2. Радиационная ползучесть. Она проявляется в овализации оболочек твэла. Для борьбы с овализацией повышаются требования цилиндричности оболочек.

3. Повышение прочностных свойств и снижение пластичности из-за возникновения дефектов.

4. Усиливается коррозия оболочек твэлов вследствие гидролиза воды.

В качестве каналов тяжеловодных реакторов также используются сплавы циркония (российские).

Стали

Коррозионно-стойкие стали

Используются в быстрых реакторах, т.к. прочнее, чем цирконий. Давление внутри больше, чем снаружи, т.к. давление теплоносителя примерно 1атм.

Сталь – это сплав Fe с легирующими элементами. По типу легирующих элементов различают стали: углеродистые и легированные.

Углеродистые стали самые дешевые, используются в строительстве, во многих конструкциях, не работают в агрессивных средах.

Легированные стали помимо углерода содержат и другие легирующие добавки.

Fe – Т_пл=1539 °С. До Т_пл железо испытывает полиморфные превращения

910 °C 1392 °C 1539 ± 3 °С

α-Fe → γ-Fe → δ-Fe → жидкая фаза

(ОЦК) (ГЦК) (ОЦК)

Обозначение ЛЭ в сталях:

Cr-Х, Ni-Н, Mn-Г, Mo-М,V-Ф, Al-Ю, B-Р, Co-К, Ti-Т, Nb-Б

Цифра перед маркой означает среднее содержание углерода в сотых долях процента; цифры, идущие после букв, − примерное количество данного элемента, округленное до целого числа. При содержании менее 1,5 % элемента цифру не приводят. Так, 45ХН2МФ − конструкционная сталь с содержанием примерно 0,45 % С, около 1 % Сr, примерно 2 % Ni, до 1 % Мо и до 1 % V.

Сталь 40ХГТ (примерно 0.4% C, Cr, Mn, Te<1%) если после букв нет цифр, то их содержание <1%. А − азот (N)

Если А стоит в начале марки, то она означает, что сталь автоматная, например А40Г; в конце марки − высококачественная сталь, например 30ХГСА, или особовысококачественная

сталь, например 15Х2МФАА

Введение легирующих добавок меняет структурное состояние сталей.

Основными структурными состояниями сталей являются:

Феррит – твердый раствор легирующих элементов в сплаве α-Fe.

Аустенит – твердый раствор легирующих элементов в γ-Fe.

Цементит – Fe₃C .

Мартенсит – пересыщенный твердый раствор легирующих элементов в α-Fe.

Перлит – механическая смесь кристаллов феррита и цементита (корпуса реактора ВВЭР).

Основные легирующие добавки, которые используются в реакторостроении – Cr и Ni.

Fe % Cr Fe % Ni

γ-Fe прочнее, чем α-Fe, т.к. ГЦК прочнее ОЦК.

Высокая коррозионная стойкость стали имеет место, если содержание Cr ≥ 12,5%.

Таким образом коррозионно-стойкая сталь это сталь с содержанием >13% Сr.

12Х13 –коррозионно-стойкая сталь ферритного класса.

Если в Fe вводить только Ni, то коррозионная стойкость будет низкой и надо вводить Cr.

Если достаточно Ni, то получится аустенитная сталь, например Х18Н10Т – коррозионно-стойкая сталь, в которой Ni вводится чтобы сталь имела кристаллическую решетку типа ГЦК.

Классы сталей:

• Ферритный класс

• Аустенитный класс

• Перлитный класс

• Мартенситный класса (мартенсит повышает прочность)

• Феррито-мартенситный

• Аустенито-ферритный

Коррозия в воде

1. Равномерная коррозия при Т=600 °С – 3-5 мкм в год.

2. Локальная коррозия обусловлена наличием неоднородностей: химических неоднородностей, трещин, шлаковых включений.

3. Язвенная (точечная) коррозия, обусловлена наличием в теплоносителе ионов Cl, турбулизации (завихрений) потока теплоносителя. Концентрация Cl ≤ 0.1 мг/кг_Н2О.

4. Интеркристаллитная коррозия аустенитных сталей (по границам зерен)

Схема МКК

При Т примерно 600 °C углерод взаимодействует с Cr на границах зерен и образуется Cr₂₃C₆=>обеднение границ хромом, что вызывает интеркристаллитную коррозию (т.е. образование оксидов на границах).

Борьба с интеркристаллитной коррозией:

1. Убирают C (0Х18Н10) С<0,01%

2. Вводится Тi или Nb, чтобы оставшийся углерод образовал с этими элементами карбиды.

3. Аустенитизация стали путем нагрева до Т=1000-1100 °C и выдержки при этой температуре в течение нескольких часов.

Коррозионное растрескивание коррозионно-стойкой стали в водяном теплоносителе.

Наличие Cl и других элементов в водяном теплоносителе, в присутствии напряжения в оболочке вызывает растрескивание оболочек твэла.

• Трещины распространяются в направлении, перпендикулярном к направлению растягивающей нагрузки.

• Скорость распространения трещины огромная - до нескольких мм/ч.

• На поверхности стали, в том числе и у самой трещины, часто нет видимых продуктов коррозии и других признаков общего коррозионного разрушения.

Борьба: снижение концентрации Cr при постоянном содержании Ni; уменьшение содержания элементов, способствующих образованию аустенита (С, N) до 0,002 %; Легирование Nb, Ti или Мо; очистка воды от хлора и свободного кислорода и уменьшение напряжения в оболочке.