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

температуры выше 2000°. Материал тепловыделяющих элемен­ тов должен обладать радиационной и коррозионной стойкостью, достаточной механической прочностью при рабочей температуре, быть способным выдерживать резкие изменения температуры, неизбежные при быстром запуске ядерных ракетных двигателей.

Наиболее тугоплавкие материалы можно разделить на три класса: металлы, тугоплавкие керамические материалы и гра­ фит. К тугоплавким металлам относятся Та, Mo, W, Re, Os и др. Металлы платиновой группы (Os и др.) не только дороги, но и не технологичны. Тантал поглощает водород уже при темпе­ ратуре 350—650° и охрупчивается. Вольфрам и молибден рекристаллизуются при температуре, сравнительно низкой по отноше­ нию к температуре их плавления. Рекристаллизация приводит к росту зерна и охрупчиванию. Максимальная рабочая темпера­ тура для молибдена 1800°. Введение в вольфрам двуокиси урана тормозиті диффузию через границы между зернами и приоста­ навливает их рост. Прочность вольфрама должна резко падать при температуре выше 1950°.

Нитриды тугоплавких металлов хрупки при температуре ниже 1400°. При температуре выше 2220° они склонны к разло­ жению и науглероживанию. Бориды вольфрама и циркония устойчивы до 2500° и могут использоваться как конструкционные материалы при работе на сжатие. Однако природный бор содер­ жит изотоп 10В, обладающий большим сечением захвата тепло­ вых нейтронов. Карбиды тугоплавких металлов устойчивы в вос­ становительной атмосфере при высокой температуре. Темпера­ тура плавления карбидов тантала и циркония выше 2880°. Карбид ниобия может быть использован при температуре 3230°.

Графит при комнатной температуре менее прочен и пласти­ чен, чем металлы, но его прочность сохраняется до температуры* близкой к 2500°, и при этой температуре приближается к проч: мости вольфрама. Графит становится все более пластичным с ростом температуры и не плавится вплоть до температуры суб­ лимации, равной 3.925° при атмосферном давлении, при которой прочность его падает до нуля. Графит технологичен, обладает высокой теплопроводностью и хорошей термостойкостью.

Тепловыделяющие элементы для ядерного ракетного двига­ теля Киви Л. представляют собой графитовые пластины длиной 203 мм, толщиной 6,3 мм, шириной 195—203 мм, содержащие диспергированную двуокись урана. Пластины изготовлялись из смеси двуокиси урана и неспеченного графита. В других реакто­ рах делящееся вещество в виде частиц карбида урана размером 10—20 мкм защищено слоем пирографита и диспергировано в графитовой матрице. Матрица защищена покрытием из карби­ да ниобия, нанесенным методом термического разложения хло­ рида ниобия.

Глава 8

КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ АКТИВНОЙ

ЗОНЫ

§ 8. 1

Б е р и л л и й

Ф и з и ч е с к и е с в о й с т в а . По совокупности физических свойств бериллий является одним из наиболее интересных и перспектив­ ных реакторных материалов. Он имеет малое сечение поглоще­ ния тепловых нейтронов (табл. 8.1). Сочетание малого сечения

поглощения с высоким сечением рассеяния и большим числом атомов в 1 см3 делает бериллий превосходным замедлителем и отражателем в реакторах; его применение приводит к уменьше­ нию критической загрузки горючего. Однако перспектива широ­ кого применения бериллия ограничена рядом обстоятельств. Бе­ риллий принадлежит к очень редким и дорогим металлам. Стоимость его почти в сто раз выше, чем алюминия, магния, стали. Бериллий хрупок. Облучение вызывает охрупчивание и распухание. Изготовление из него тонкостенных оболочек твэлов и особенно их герметизация крайне затруднительны. Пол(> жительными свойствами бериллия являются малый удельный вес, относительно высокая температура плавления, небольшой коэффициент теплового расширения (см. табл. 8.1). До темпе­ ратуры 1240° бериллий не претерпевает аллотропических пре-

вращений и кристаллизуется в гексагональной плотноупакован­ ной решетке. Отсутствие структурных превращений в широком диапазоне температуры делает бериллий нечувствительным к циклическим изменениям температуры. Бериллий и его соеди­ нения очень токсичны. Металлический бериллий получают маг­ ниетермическим восстановлением окисла бериллия или электро­ лизом.

порога может быть смещена на 50—100° к более низкой темпе­ ратуре за счет очистки бериллия от примесей и главным обра­ зом за счет измельчения зерна. Однако никаким« приемами не удается сдвинуть порог хлодиоломкости квазиизотропного поликристаллического бериллия ниже комнатной температуры, т. е. получить бериллий, пластичный при комнатной температуре. Длительным отжигом при температуре 750—800° и очень мед­ ленным охлаждением можно устранить падение пластичности при 600—800°. Указанная термическая обработка приводит к выделению ннтерметаллидов бериллия по границам зерен.

При выдавливании бериллия базисные плоскости гексаго­ нальной решетки ориентируются параллельно направлению вы­ давливания. Такая текстура вызывает резкую анизотропию свойств бериллия. Вдоль оси выдавливания пластичность берил­ лия возрастает, а в поперечном направлении — падает. Ударным

224 Г л . 8. Материалы активной зоны

в количестве 0,4% несколько улучшает свойства труб. Вследст­ вие низкой пластичности детали и узлы замедлителей и отража­ телен не рассчитаны на значительные нагрузки. Снижение пла­ стичности бериллия вследствие облучения не столь опасно.

Р а д и а ц и о н н а я с т о й к о с т ь . В бериллии под действием облуче­ ния протекают ядерные реакции с образованием газообразных продуктов:

9Ве + п -*■4Не + °Не; 6Не -> 6Li + ß~ ;

«Li + п -> «Не + 3 Н.

Гелий и тритий могут скапливаться в порах, образовывать га­ зовые пузыри, вызывающие газовое распухание. Внедрение ге­ лия и трития в кристаллическую решетку бериллия снижает его пластичность. Изменение свойств бериллия в результате облучения представлено в табл. 8.2. Облучение увеличивает прочность и ухудшает пластичность бериллия.

Т а б л и ц а 8.2

При интегральном потоке ІО2 0 нейтрон/см2 и температуре облучения 700—750° газовое распухание невелико и не превы­ шает 1—2%. При температуре 800—900° газовое распухание составляет 3—5%- При указанном интегральном потоке ней­ тронов бериллий может применяться в отражателях и замедли­

и растрескивание окиси бериллия, обусловленное накоплением гелия иі трития. Окись бериллия используют в исследователь­

ских реакторах в качестве замедлителя и отражателя.

♣ 8. 2

Г р а ф и т

Физические свойства. Графит находит широкое применение в реакторах на тепловых нейтронах в качестве замедлителя и отражателя. Сечение поглощения тепловых нейтронов у графи­

графита реакторной чистоты не представляет больших техни­ ческих трудностей. Графит обладает хорошими тепловыми свойствами и достаточной прочностью. Графит хорошо под­ дается механической обработке. Благодаря высокой теплопро­ водности и низкому коэффициенту линейного расширения гра­ фит обладает хорошим сопротивлением тепловым ударам. Од­

степени зависит от чистоты исходных материалов. В реактор­ ном графите содержание золы не выше 0,054—0,16%, содер­ жание бора 4-10-5%. В случае газовой очистки величины эти могут быть снижены до 5- ІО“ 4 и 6 -10~6% соответственно. При обработке графита газообразным хлором увеличивается содер-

Прочность изделий из графита существенно зависит от тех­ нологии изготовления, материала, из которого они изготовлены, направления вырезки образца по отношению к оси блока. Чем выше плотность графита, тем значительнее его прочность. Пре­ дел прочности на растяжение при комнатной температуре ко­ леблется от 0,7 до 2,1 кГ/мм2, при изгибе 0,7—3,0 кГ/мм2. Пре­ дел прочности на сжатие обычно составляет 2,1—3,5 кГ/мм2, а в отдельных случаях может достигать 7,0 кГ/мм2. При повыше­ нии температуры прочность графита возрастает. При темпера­ туре до 2 0 0 0 ° увеличение прочности происходит приблизитель­ но по линейному закону. При 2800° прочность достигает мак­ симального значения и примерно в два раза превышает проч­ ность при комнатной температуре. Увеличение механической прочности с увеличением температуры связывают со снятием больших внутренних напряжений, возникающих в графите при охлаждении от температуры графитизации. Эти напряжения появляются вследствие большого различия в коэффициентах теплового расширения по направлению оси с и перпендикуляр­ но к этой оси.

Окисление графита. При высокой температуре графит до­ статочно реакционноспособен. Однако с твердыми вещества­ ми графит совместим вплоть до высокой температуры, когда наблюдается значительная диффузия углерода и науглерожи­ вание металлов и сплавов или возможны химические реакции восстановления углеродом. Проблемы совместимости графита сводятся к вопросам его взаимодействия с теплоносителем. Скорость взаимодействия графита с газами обычно определяют по относительному изменению веса образцов. Влияние поверх­ ности, как правило, не учитывается, хотя известно, что она из­ меняется при окислении. Наиболее распространенными и пер­ спективными газами для охлаждения реакторов являются ге­

статочное сцепление с основным материалом. Примеси в гелии, например кислород, могут явиться причиной коррозии графита. При температуре ниже 800° графит практически не взаимодей­ ствует с углекислым газом. При 500° реакция сводится к заме­ не в решетке атомов углерода на атомы кислорода и восста­ новлению СОг до СО. Кислород располагается в свободных узлах решетки на поверхности графита. Скорость окисления графита, оцененная по потере веса, при значениях температуры

X I 0_1 вес. %/ч.

В результате протекания обратной реакции 2СО -> С + С02

происходит осаждение углерода. Если в результате какой-либо другой реакции в теплоносителе появится окись углерода в концентрации, превышающей равновесную, то по обратной реакции произойдет отложение углерода и содержание окиси углерода снизится до равновесного значения. Скорость этого процесса возрастает с увеличением температуры. При 400— 500° процесс отложения графита незначителен. Таким образом, окисление графита в углекислом газе не вызывает каких-либо проблем при эксплуатации реактора при температуре до 500°.

Скорость окисления графита зависит от его плотности и чистоты. Скорость окисления уменьшается с ростом плотности графита так же, как и с увеличением температуры термической обработки. Интенсифицируют окисление графита примеси Fe, V, Na. В присутствии примесей окисление имеет локальный ха­ рактер. С увеличением степени чистоты графита скорость его окисления снижается.

Облучение системы графит — газ нейтронами или у-кванта- ми приводит к появлению дефектов в графите и к ионизации молекул газа. Оба эти явления интенсифицируют окисление и, в частности, снижают температуру начала окисления. Предва­ рительное облучение графита интегральным потоком нейтронов 4- ІО20 нейтрон/см2 увеличивает скорость окисления в 6 раз. Последнее обстоятельство связывают с образованием смещен­ ных атомов, обладающих повышенной энергией. При этом, естественно, снижается энергия активации процесса. В углекис­ лом газе при облучении за счет диссоциации молекул обра­ зуется атомарный кислород, интенсифицирующий окисление.

Графит практически не взаимодействует с молекулярным азотом. В условиях облучения возможно образование окислов азота. При температуре выше 400° окислы азота взаимодейст­ вуют с графитом с образованием углекислого газа и окиси углерода. При взаимодействии графита с водородом в области температуры 300—1000° образуется метан. С ростом темпера­ туры количество метана, находящегося в равновесии с графи-,

протекает с участием атомов графита, имеющих повышенную энергию. Иными словами, вначале окислению подвергаются ак­ тивные места в кристаллической решетке. Если активные ме­