книги из ГПНТБ / Герасимов В.В. Материалы ядерной техники учеб. пособие

рующимп деталями служат, кроме того, для крепления твэлов во время работы в строго определенном положении. В ряде случаев в активную зону загружают твэлы, предварительно со­ бранные в группы. Такие группы твэлов называют тепловыде­ ляющими сборками (см. рис. 1.5).

В реакторах на тепловых нейтронах для замедления нейтро­ нов используют материалы с малым атомным весом. В качест­ ве материала замедлителей служат тяжелая и обычная (легкая) вода, графит, бериллий и окись бериллия, некоторые органиче­ ские жидкости.

Для уменьшения утечек нейтронов за пределы активной зоны вокруг нее устанавливают отражатель нейтронов. В качестве отражателей используют те же материалы, что и для замед­ лителей.

Тепло, выделяющееся при делении ядерного топлива, отво­ дят с помощью следующих теплоносителей: обычной воды (с кипением и без кипения в реакторе), тяжелой воды, газов (азо­ та, гелия, углекислоты, водорода и их смеси), жидких метал­ лов (натрия, калия, висмута, свинца и их сплавов, ртути) и органических жидкостей (например, днфенилыюй смеси). Теп­ лоносители ядерных реакторов должны обладать определенны­ ми свойствами:

1) малой коррозионной агрессивностью и малым эрозион­ ным воздействием по отношению ко всем реакторным мате­ риалам;

2)высокой теплоемкостью и теплопроводностью, малой вяз­ костью;

3)высокой температурой кипения и низкой температурой плавления;

4)высокой температуростойкостыо и радиационной стой­

костью;

5)взрывобезопасностью, негорючестью, нетоксичиостыо;

6)низкой стоимостью;

7)слабой активацией.

Малая коррозионная и эрозионная агрессивность теплоноси­ телей повышает надежность работы оборудования и радиацион­ ную безопасность для обслуживающего персонала. При нали­ чии больших удельных тепловых потоков в реакторе требова­ ние высоких теплотехнических характеристик является одним из определяющих факторов при выборе вида теплоносителя.

Регулирование мощности реактора осуществляется измене­ нием вводимого в активную зону количества вещества, погло­ щающего нейтроны. Эти вещества вводятся в активную зону реактора обычно в виде стержней различного профиля, но могут вводиться в виде поглощающих добавок в горючее или в состав конструкционных материалов активной зоны.

Существует возможность «мягкого» регулирования. В этом случае поглощающее нейтроны вещество в виде раствора цирку­ лирует либо в отдельном контуре, либо в теплоносителе. Этим веществом могут быть борная кислота, соли кадмия и т. д. «Мягкое» регулирование не вносит больших изменений в ней­ тронное поле и поле тепловыделения. При этом, однако, встают проблемы радиолиза, коррозии, регулирования концентрации поглощающего вещества.

Для быстрой остановки реактора используют стержни аварий­ ной защиты. Конструктивное оформление и требования к ма­ териалам этих стержней аналогичны стержням регулирования. В качестве материалов регулирующих стержней и системы ава­ рийной защиты используют материалы, содержащие хорошо поглощающие нейтроны элементы: В; Cd, Hf, In, Ag, Eu, Gd и Sm.

Корпус мощных энергетических реакторов имеет внушитель­ ные размеры (диаметр до 4 м и высоту до 12 м). Изготовление корпуса, работающего при высоких давлении и температуре теплоносителя, из нержавеющих аустенитных сталей не пред­ ставляется возможным вследствие низкой прочности их.

Для корпуса реактора используют стали 4STC, 22К, 1X18НIОТ (для корпусов малых размеров). При выполнении корпуса реактора из перлитной стали для уменьшения выхода продуктов коррозии в воду реактора на его внутренней поверх­ ности делают наплавку из стали типа 18/8. Вместо наплавки повысить коррозионную стойкость материала корпуса можно созданием на его поверхности защитной окисной пленки (на­ пример, при обработке ее комплексонами или другими спосо­ бами) .

Корпус реактора работает в жестких условиях: высокое дав­ ление и температура теплоносителя, высокий уровень облучения (а значит, отсутствие визуального контроля за материалом кор­ пуса в процессе его эксплуатации), высокие скорости теплоно­ сителя, который даже при высокой степени чистоты является коррозионноагрессивной средой. Для уменьшения воздействия излучения на корпус реактора вокруг активной зоны устанавли­ вают тепловую защиту, которая представляет собой цилиндри­ ческую обечайку из коррозионностойкой стали (например, ста­ ли типа 18/8).

Для изготовления корпуса парогенератора и других эле­ ментов схемы ядерной энергетической установки использѵют стали 22К, 15ХМ, 16ГНМ, 20.

Количество циркулирующего через активную зону теплоно­ сителя велико, поэтому циркуляция его по первому контуру обычно осуществляется по нескольким петлям (от 4 до 8). Но даже при таком количестве петель диаметры трубопроводов

Р — вы ход теплоносителя.

с тысячами труб малого диаметра и значительными размерами корпуса (диаметром до 4 м и длиной до 15 лг).

Элементы оборудования второго контура выбираются такими же, как и на электростанциях на органическом топливе. Паро­ проводы от парогенератора до турбины, трубопроводы конден­ сатного тракта от конденсатора до деаэратора и питательного тракта от деаэратора до парогенератора выполняют из перлит­ ных сталей. Поверхности нагрева конденсатора и регенеративных подогревателей низкого давления (на конденсатном тракте) вы­ полняют из материалов с повышенной коррозионной стойко­ стью— латуни, стали типа 18/8, мельхиора, никелевых сплавов, так как они работают в наиболее коррозионноагрессивной среде. Поверхности нагрева подогревателей высокого давления (на пи­ тательном тракте) выполняют из углеродистой стали.

Особенностью ядерных энергетических установок является наличие радиоактивности. Для защиты от нейтронного излуче­ ния используют материалы, хорошо замедляющие и поглоща­ ющие нейтроны. Для защиты от у-излучения используют мате­ риалы, содержащие тяжелые элементы. Таким образом, для за­ щиты от излучений используют легкую воду, бетоны с различ­ ными добавками (тяжелый бетон, колеманит, портландцемент, бариевый цемент и другие), а также металлы (Pb, Fe и др.). В табл. 1.2 приведены конструкционные материалы, используе­ мые в атомной технике, и области их применения.

Глава 2

ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К РЕАКТОРНЫМ МАТЕРИАЛАМ

♣ 2. 1

Общие требования

Современные атомные энергетические установки представля­ ют собой сложные инженерные сооружения. Материалы,. ис­ пользуемые в них, работают в крайне тяжелых условиях. Атом­ ная энергетика может широко внедряться в народное хозяйство лишь в том случае, если стоимость электроэнергии, вырабаты­ ваемой на атомных станциях, будет соизмерима или ниже, чем на электростанциях, работающих на органическом топливе. Со­ временные тепловые станции эксплуатируются при закритических параметрах. Растут параметры и атомных станций.

Ядерный перегрев пара, впервые осуществленный в нашей стране на Белоярской атомной электростанции им. И. В. Кур­ чатова, потребовал создания материалов, работоспособных при температуре 510° С в активной зоне реактора. В настоящее вре­ мя существует проблема создания атомных электростанций закрптнческих параметров. При высокой температуре эксплуати­ руют материалы в реакторах на быстрых нейтронах и в газо охлаждаемых реакторах. Применение ядерных двигателей в космической технике потребует материалов, работоспособных при температуре до 3000°.

Создание новых атомных энергетических установок, отвечаю­ щих современным требованиям по производительности, эконо- мичности, надежности, непрерывно предъявляет все новые по­ вышенные требования к реакторным материалам.

Применяемые материалы должны обеспечить конструктив­ ную прочность атомных установок, т. е. быть прочными, пла­ стичными, в ряде случаев способными работать в условиях вы­ соких динамических нагрузок. Материалы должны быть техно­ логичными, легко подвергаться обработке давлением, резанием, хорошо свариваться. Следует заметить, что механические харак­ теристики материалов не должны изменяться в процессе дли­ тельной эксплуатации при высокой температуре и в условиях изменения механических напряжений, действующих на мате­ риал, по величине и знаку. Эти материалы часто эксплуатируют в условиях вибрации,- Исходя из этого материалы не должны разрушаться вследствие усталости, в том числе и малоцикловой, и должны обладать высокой циклической прочностью.

первую очередь твэлы, каналы, должны сохранять свою форму. Материалы активной зоны подвергаются интенсивному облуче­ нию, которое может существенно повлиять на их свойства. Под действием облучения материалы охрупчиваются, изменяют фор­ му. Поэтому необходимо, чтобы реакторные материалы обла­ дали высокой радиационной стойкостью.

В процессе эксплуатации реакторные материалы соприкаса­ ются с теплоносителем и могут разрушаться вследствие проте­ кания коррозионных процессов, эрозии, кавитации. Выделяю­ щийся в процессе коррозии водород может растворяться в ма­ териале н вызывать его охрупчивание. Отсюда вытекает еще одно требование — высокая коррозионная стойкость.

Материал оболочки твэлов находится в еще более жестких условиях, он в процессе эксплуатации при высокой температуре в течение долгого времени находится в контакте с ядерным го­ рючим. Взаимодействие между ними может привести к разруше­ нию оболочки твэлов. Возникает еще одно требование — совме­ стимость.

Ядерная энергетика предъявляет особые требования к физи­ ческим свойствам материалов. Ядерное горючее долоіено обеспе­ чивать высокое тепловыделение и выгорание, а также быть ра­ диационностойким.

В реакторах на тепловых нейтронах конструкционные мате­ риалы должны иметь малое сечение захвата тепловых нейтро­ нов. В противном случае ухудшаются экономические показате­ ли атомной электростанции. Значительное поглощение нейтро­ нов, необходимых для поддержания реакции деления в ядерном горючем, может нарушить баланс нейтронов и в отдельных случаях прекратить ядерную реакцию. Указанные обстоятель­ ства выдвигают требования к чистоте материалов активной зо­ ны. Содержание в них примесей с высоким сечением захвата должно быть минимальным.

Материалы замедлителя и отражателя должны, кроме того, эффективно замедлять быстрые нейтроны. В системах управле­ ния и защиты реактора применяют материалы с большим сече­ нием захвата нейтронов. Желательно, чтобы реакторные ма­ териалы мало активировались в нейтронном потоке. Особенно это относится к материалам активной зоны. Радиоактивные изотопы продуктов коррозии откладываются в контуре реактора и существенно затрудняют его обслуживание. Особенно непри­ ятно в этом смысле присутствие кобальта в аустенитных нержа­ веющих сталях. Кобальт в незначительных количествах содер­ жится в никеле, которым легируют сталь.

Существенно важной характеристикой реакторных материа­ лов является коэффициент термического расширения. Стремят­

прочность II сопротивление ползучести, предел усталости при ра­ бочих температурах, стабильность размеров оболочки при цик­ лических изменениях температуры. Необходимо также знать из­ менение этих характеристик под влиянием облучения.

Высокая теплопроводность материала оболочки и контакт­ ных слоев ее с топливом необходима для снижения разности температуры между теплоносителем, самой оболочкой и ядерным горючим. Градиент температуры в оболочке может вызвать термические напряжения, достигающие десятков килограммов на

1 мм2.

Вопрос о коррозионной и эрозионной стойкости оболочки в теплоносителе и о ее совместимости с ядерным горючим принад­ лежит к наиболее сложным и важным проблемам эксплуата­ ции ядериых реакторов. Коррозионные процессы протекают при высоких температурах, больших скоростях теплоносителя, при наличии'теплопередачи и механических напряжений в металле. Изменение свойств металла и состава теплоносителя под дейст­ вием облучения осложняет эти условия.

Для получения необходимой информации о свойствах мате­ риалов в условиях эксплуатации приходится проводить сложные, длительные и дорогостоящие испытания, в том числе непосред­ ственно в реакторе.

Безаварийная работа канального реактора во многом зави­ сит от надежности каналов. Разрушение стенки канала вслед­ ствие коррозии, эрозии или кавитации приводит к ухудшению теплосъема с твэлов," попаданию теплоносителя в графитовую кладку, что нарушает нормальную работу реактора. Изменение геометрической формы канала вследствие ползучести материала затрудняет замену каналов.

Ползучесть сама по себе создает опасность разрушения ка­ нала. Материал каналов не должен наводороживаться, ибо это создает опасность хрупкого разрушения. Материал, из которого изготовляют технологические каналы и каналы системы управ­ ления и защиты, должен быть прочным, противостоять ползуче­ сти, обладать высокой коррозионной стойкостью, не охрупчи­ ваться, иметь малое сечение захвата тепловых нейтронов.

Замедлитель и отражатель. Материал замедлителя и отра­ жателя должен содержать минимальное количество примесей. В реакторах с графитовой кладкой изменение размера графито­ вых втулок и блоков вследствие радиационного роста или усад­ ки затрудняет замену канала. Отсюда вытекает требование вы­ сокой радиационной стойкости графита и стойкости к окисле­ нию. Весьма важна для физики реактора и плотность графита.

Поглощающие материалы системы управления и защиты (СУЗ). Поглощающие материалы должны иметь высокое сече­ ние поглощения тепловых нейтронов. Для тепловых реакторов