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

190 Г л . 7. Ядерно-горю чие материалы

иметь минимальное сечение захвата нейтронов. Сплавы должны сохранять размеры и форму при работе в реакторе и обладать высокой прочностью и пластичностью. Сплав должен быть сов­ местим с оболочкой твэла. Диффузионное взаимодействие спла­ ва с материалами оболочки недопустимо, так как в результате диффузии могут возникнуть повреждение оболочки и разруше­ ние твэла. В условиях длительной эксплуатации возможны слу­ чаи нарушения герметичности оболочки, вследствие чего ядерное горючее будет контактировать с теплоносителем. Для предот­ вращения вымывания урана и его продуктов коррозии в тепло­ носитель сплавы должны обладать высокой коррозионной и эрозионной стойкостью.

Сплавы урана, предназначенные для использования в каче­ стве ядерного горючего, можно разделить на две группы: сплавы со структурой a-фазы, в которых небольшое количество легирующих элементов способствует получению мелкозернистого металла без текстуры, и сплавы со структурой у-фазы, в кото­ рых легирующие элементы вводятся в количестве, достаточном для частичной или полной стабилизации кубической у-фазы. Сплавы первой группы на основе природного или слабообогащенного урана применяются главным образом в реакторах на тепловых нейтронах. Примером таких сплавов могут служить сплавы урана с 0,4% А1, с 0,5—2,0% Мо, с 2,0%) Zr, с 0,1% Сг. Сплавы второй группы более универсальны, но из-за высокого содержания легирующих элементов требуют значительного обо­ гащения. Примером сплавов этого типа могут служить сплавы систем U—Mo, U—Zr, U—Nb и тройные сплавы системы U—Zr—Nb со значительным количеством легирующих компо нентов. Значительный интерес представляют композиции на ос­ нове интерметаллических соединений U3Si, UA14 и т. д.

Сплавы с железом. Легирование урана небольшим количе­ ством (сотые доли процента) железа улучшает эксплуатацион­ ную надежность сердечников твэлов. После закалки у такого урана измельчается зерно и повышаются механические харак­ теристики. Эти обстоятельства ослабляют радиационное огруб­ ление поверхности сердечников твэлов. Урановый угол диаграм­ мы состояния U—Fe представлен на рис. 7.6. В этой системе образуется ряд интерметаллидов урана. Предельная раствори­ мость железа в а-уране близка к нулю, а в ß- и у-фазах — соответственно 0,5 и 1,8 ат.%.

Сплавы с алюминием. Алюминий практически нерастворим в а-уране. Предельная растворимость алюминия в ß- и у-фазах составляет соответственно 0,18 и 0,6%■ В системе U—А1 обра­ зуются три интерметаллических соединения.

Диаграмма состояния системы U—А1 представлена на рис. 7.7. Легирование урана небольшими добавками алюминия

используется для получения мелкозернистого металла со струк­ турой a-фазы. В структуре сплавов с содержанием алюминия 0,15—0,5% имеются включения интерметаллида UA12. Сплав

ссодержанием алюминия 0,4% рекристаллизуется очень быстро

иприобретает мелкозернистую полиэдрическую структуру с размером зерен 10—20 мкм. Зерна с предпочтительной ориенти-

Содержание Fe, am. %

Рис. 7.6. Урановый угол диаграммы системы U — Fe.

ровной практически отсутствуют. Такой сплав обладает высо­ ким сопротивлением термической усталости и значительно более устойчив к изменению формы при циклических нагреваниях и облучении, чем чистый уран.

Определенный интерес для использования в реакторах пред­ ставляют уран-алюминиевые сплавы, содержащие менее 35% U. В сплаве с 14—16% U значительное количество алюминия нахо­ дится в виде соединения UA14. Структура сплава состоит из кристаллов первичного соединения UÂ14, распределенных в матрице, состоящейиз эвтектики А1—UA14.

Из трех интерметаллических соединений наиболее важное значение для дисперсионных твэлов имеет соединение UAU. Сфероидальная форма включений этого соединения благоприят­ ствует сохранению формы металла матрицы и не вызывает трудностей при изготовлении твэлов.

Сплавы с кремнием. Диаграмма состояния U—Si представ­ лена на рис. 7.8. В а-уране кремний практически не растіво-

на каждый атомный процент выгорания. Перспективным яв­ ляется металлическое горючее примерно следующего состава: U — 15% Pu — 10% Fs.

С п л а в ы с б о л ь ш и м р а з б а в л е н и е м . В последнее время вни­ мание привлекают сплавы урана с большим разбавлением, со­ держащие менее 50% U. Такие сплавы изготовляются на основе AI, Zr, Nb — элементов с малым сечением захвата.

В процессе эксплуатации твэлов уран и его сплавы длитель­ ное время контактируют с оболочкой. Взаимодействие между оболочкой и сердечником может привести к разгерметизации твэлов.

А л ю м и н и й . Тепловыделяющие элементы с сердечником из металлического урана и оболочкой из алюминия или его спла­ вов используют во многих реакторах на тепловых нейтронах. Скорость взаимодействия урана с алюминием связана с тем­ пературой уравнением Аррениуса. С увеличением температуры от 181 до 720° скорость реакции возрастает в ІО4 раз. Диффу­ зионный слой, образующийся между ураном и алюминием, со­ стоит в основном из интерметаллида UA13. Интенсивное взаи­ модействие урана с алюминием начинается уже при темпера­ туре 250°. При 300° между обоими металлами возникает слой интерметаллических соединений, достигающий толщины 0,025 мм за 2000 ч. Скорость диффузии зависит от давления. Предпола­ гается, что давление нарушает целостность окисных пленок на алюминии и уране, что способствует диффузии. При неблаго­ приятных условиях диффузионный слой, состоящий из интерме­ таллида, выходит на поверхность алюминиевой оболочки, в ре­ зультате чего происходит взаимодействие с теплоносителем и разгерметизация твэла. Для повышения стойкости твэлов из урана с алюминиевой оболочкой применяют промежуточные слои, чаще никелевые. Скорость взаимодействия урана с алю­ минием при этом снижается и обеспечивается прочное сцепле­ ние оболочки с сердечником. Аналогичным образом действует промежуточный слой из алюминиево-кремниевой эвтектики.

Ц и р к о н и й . Цирконий совместим с нелегированным ураном и его сплавом с 10% Мо примерно до 500°, а со сплавами урана, содержащими 2—80% Zr или 80—90% Nb, приблизительно до 700°. Со сплавами урана, содержащими 75—-84% А1, цирконий плохо совместим; взаимодействие начинается уже при 500°.

МагнийМагний совместим с ураном и его сплавами до тем­ пературы 500°.

Сталь типа 1Х18Н10Т. Совместимость аустенитной нержа­ веющей стали типа 1Х18Н10Т с ураном можно охарактеризо­ вать следующим образом. При температуре 500° за 1 год в стали образуется слой урансодержащих интерметаллидов толщиной 0,03—0,04 мм. При 600 и 700° толщина слоя 0,25 и 0,5 мм соответственно. Столь быстрое возрастание скорости взаимо­ действия с увеличением температуры и опасность локального перегрева оболочки заставляют либо снизить номинальную рас­ четную температуру, либо изолировать сталь от урана оксиди­ рованием последнего, слоем натриево-калиевой эвтектики и т. д. Тепловыделяющие элементы с натриевым или натриево-калие­ вым слоем между горючим и стальной оболочкой применялись в реакторе «Энрико Ферми». Однако такая изоляция ненадежна и в современной практике избегают применять твэлы с урано­ вым сердечником и оболочкой из нержавеющей стали.

Электрохимическое поведение урана. Уран принадлежит к числу металлов, пассивирующихся в нейтральных средах. В насыщенных воздухом водных средах, не содержащих акти­ ваторов, при стационарном потенциале уран находится в пас­ сивном состоянии. Пассивацию урана связывают с образова­ нием на его поверхности двуокиси урана темно-бурого цвета. Между кристаллическими решетками двуокиси урана и урана имеется структурное соответствие. Так, кристаллографическая плоскость (ПО) двуокиси урана параллельна плоскости (100) урана. В присутствии кислорода в воде образуется более плот­ ная пленка продуктов коррозии с лучшими защитными свойст­ вами. При деаэрации воды стационарный потенциал урана смещается в отрицательную сторону и соответствует активной области. Естественно, что скорость коррозии при этом возра­ стает. Присутствие в среде сильных окислителей в значительной концентрации, например хроматов, перманганатов, смещает стационарный потенциал урана в область перепассивации, что

пассиваторы. Стационарный потенциал урана в этом случае отвечает пассивной области.

Коррозия урана. В нейтральной насыщенной воздухом среде коррозия урана протекает с кислородной деполяризацией, в де­ аэрированных средах — с водородной. В последнем случае в продуктах коррозии урана присутствуют гидриды. Присутствие в среде нитратов, сульфатов до концентрации 0,1—1 г/л не влияет на стойкость урана. Хлориды уже в количестве 0,01— 0,1 мг/л депассивируют уран и интенсифицируют его коррозию, вызывая образование язв.

Уменьшение pH среды интенсифицирует коррозию урана. Кислые среды, содержащие значительные количества окисли­ теля, применяются для растворения урана при переработке ядерного горючего. С ростом температуры коррозия урана ин­ тенсифицируется в соответствии с законом Аррениуса. При тем­ пературе 100° коррозия идет с водородной деполяризацией со скоростью 2—5 мг[(см2-ч). Перекись водорода как сильный окислитель способствует пассивации урана и снижает скорость его коррозии до температуры 90°. Во влажном паре стойкость урана такая же, как и в воде при той же температуре. В пере­ гретом паре скорость коррозии урана растет с увеличением дав­ ления. При наличии щелей доступ кислорода в них затруднен. Последнее обстоятельство приводит к интенсификации коррозии урана в щелях и зазорах. При наличии неплотности в оболочке вода поступает в зазор между урановым сердечником и оболоч­ кой. Вследствие интенсивного процесса коррозии происходит на­ копление окислов урана и гидрида, что приводит к распуханию оболочки, образованию так называемых «отдулин».

Повышение коррозионной стойкости урана может быть до­ стигнуто легированием. Наиболее стойкими являются:

1)сплавы со структурой гамма-твердого раствора;

2)сплавы со структурой пересыщенного альфа-твердого рас­ твора мартенситного типа;

ратуре 100—200° стойкость таких сплавов в десятки раз выше стойкости нелегированного урана. Однако даже при самой опти­ мальной термической обработке эти сплавы разрушаются в воде

достаточно стойкая в воде при 260°. Композиция с 3,8% Si мо­ жет применяться при более высокой температуре, чем сплавы со структурой гамма-твердого раствора и альфа-мартенсита. По­ следние две группы сплавов при длительных выдержках при высокой температуре испытывают структурное превращение с образованием стабильной a -фазы с низкой коррозионной стой­

костью.

А т м о с ф е р н а я к о р р о з и я у р а н а . , Металлический уран взаимо­ действует с воздухом при комнатной температуре. Во влажном воздухе металл покрывается окисной пленкой темно-коричневого цвета, состоящей из двуокиси урана. Состав окисла может от­ личаться от стехиометрического в сторону избытка кислорода. Скорость коррозии урана при комнатной температуре в сухом воздухе невелика и составляет несколько микрон в год. Увели­

урана. Коррозия урана при этом идет по линейному закону. При высокой влажности или при температуре выше 70° окисная плен­ ка не является защитной. Нагрев на воздухе до температуры выше 500—700° может привести к загоранию урана. Уран более пирофорен, чем цирконий. При низкой температуре уран не взаи­ модействует с очищенными от влаги и кислорода гелием, азо­ том, углекислым газом, водородом. Однако при 370° уран реа­

лий. Присутствие в щелочных металлах кислорода интенсифи­ цирует коррозию урана. Уран имеет большее сродство к кис­ лороду, чем натрий (—246,6 и —179,8 ккал/моль соответствен­ но), и в связи с этим уран восстанавливает окись натрия, окис­

металлами уран практически не взаимодействует до температу­ ры 500°. Облучение не сказывается на интенсивности взаимодей­ ствия урана со щелочными металлами до 600°. Даже в случае нарушения сплошности оболочки твэла взаимодействие урано­ вого сердечника со щелочными металлами не приводит к серь­ езному загрязнению теплоносителя.

С т о й к о с т ь у р а н а в о р г а н и ч е с к о м т е п л о н о с и т е л е . В дифениле уран значительно более стоек, чем в воде при той же темпера­ туре. Стойкость урана сильно зависит от чистоты органических теплоносителей. В очищенном дифениле уран стоек в течение по крайней мере 6 месяцев. Контакт урана при нарушении це­

промежуточного слоя между урановым сердечником и металли­ ческой оболочкой твэла на уран наносятся покрытия: Покрытия наносятся гальваническим, химическим, диффузионным, горячим способами, разложением летучих соединений из газовой фазы либо путем создания защитной окисной или нитридной пленки. Качество покрытий существенно зависит от чистоты поверхности урана, в частности, от наличия на ней окислов. Поскольку уран легко окисляется на воздухе, очистка его поверхности представ­ ляет существенную трудность. Большинство покрытий не защи­ щает уран от коррозии в кипящей воде сколько-нибудь длитель­ ное время, в основном покрытия применяются в качестве про­ межуточного слоя между ураном и оболочкой.