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

240 Г л . 8. Материалы активной зоны

других деталей активной зоны являются его малая коррозион­ ная стойкость и низкие механические свойства при повышен­ ной температуре. Несмотря на это, магниевые сплавы широко применяют в качестве материала оболочек в двухцелевых реак­ торах с графитовым или тяжеловодным замедлителем, природ­ ным ураном в качестве горючего и углекислым газом как теплоносителем, например, в английских реакторах в КолдерХолле, Брадуэлле и др., а также в ряде французских реакторов при температуре углекислого газа 350—400°.

величины зерна и текстуры. При выдержке в течение 100— 200 я при температуре 400—450° величина зерна в чистом маг­ нии увеличивается в сотни и тысячи раз. Это обстоятельство обусловливает дальнейшее снижение пластичности при комнат­ ной температуре до относительного удлинения 2—4%.

Измельчение и стабилизация зерна в магнии могут быть достигнуты легированием его Zr, Al, Mn, Th. Так, введение в

магний 0,55% Zr увеличивает относительное удлинение в 2,5— 3 раза. При этом происходит и упрочнение магния. Механиче­ ские характеристики советских магниевых сплавов представле­ ны в табл. 8.6.

Ряд магниевых сплавов получают из порошков методами металлокерамики. В этом случае в сплаве присутствуют окис-

Т а б л и ц а 8-6

Механические свойства Mg и сплавов Mg—Be при различной температуре (°С)

лы. Такие материалы (ПМБ-2 и ПМБ-5, см. табл. 8.6) менее пластичны, чем литые и деформированные, но обладают повы­ шенной прочностью и жаропрочностью.

При деформации и пластическом течении в магнии и его сплавах образуются крупные поры, полости по границам зе­ рен. Это явление снижает пластичность сплавов, создает опас­ ность газового распухания. В сплавах, применяемых в реакторостроении, это явление практически устранено и при рабочей температуре 400—500° оболочки из этих сплавов обладают до­ статочной устойчивостью.

Радиационная стойкость. Температура рекристаллизации магния невелика. В связи с этим облучение не должно суще­ ственна изменять механические свойства магния и его сплавов.

на 10—35%. Более высокие интегральные потоки должны су­ щественнее повлиять на пластичность сплавов магния. Сле­ дует, однако, иметь в виду, что в газоохлаждаемом реакторе детали и узлы из магниевых сплавов будут иметь температуру не ниже 150—200°. При этой температуре пластичность спла­ вов магния достаточно велика и радиационные повреждения не снизят ее до опасного предела.

Совместимость. Магний совместим с ураном до темпера­ туры 500°, восстанавливает окислы почти всех металлов. В связи с этим взаимная диффузия металлов будет зависеть от прони­ цаемости окисла магния. Малые количества легирующих эле­ ментов практически не сказываются на проницаемости окиси магния и совместимости его с другими металлами. До темпера­ туры 450—580° магний и его сплавы не взаимодействуют со

сплавами циркония, с Cr, Ti, Ni, Pt. С алюминием магний взаи­ модействует при температуре выше 400°.

Низколегированные перлитные стали не взаимодействуют с расплавленным магнием.

Коррозионная стойкость. В сухом углекислом газе при дав­ лении до 50 ат и температуре 580° устойчивы сплавы, легиро­ ванные 2% Be. При температуре до 520° стойки сплавы типа магнокс. Коррозия идет по параболическому закону. Присутст­ вие водяных паров интенсифицирует окисление. При 500° и давлении 14 ат сплавы типа магнокс устойчивы в углекислом газе, загрязненном до 1% СО и до 0,03% водой. Увеличение содержания воды до 2% не вызывает катастрофической корро­ зии, так же как и увеличение содержания воздуха до 50%. С ростом давления углекислого газа скорость коррозии возра­ стает. Облучение интегральным потоком 2 -ІО18 нейтрон/см2 не­ значительно влияет на скорость окисления.

При увеличении температуры сплавы магния воспламе­ няются в атмосфере углекислого газа. Так, при давлении 10 ат температура воспламенения равна 640°. Полное сгорание ма­ териала за счет саморазогрева происходит при температуре не ниже 615°. Оболочки тэвлов из спеченных порошковых магние­ вых сплавов не уступают по коррозионной стойкости в угле­ кислом газе оболочкам из литейных и деформируемых спла­ вов.

В нейтральных средах, в том числе и в дистиллированной воде, магний и его сплавы нестойки. Нормальный потенциал магния равен —2,38 в, т. е. магний является весьма электро­ отрицательным и крайне активным в коррозионном отношении металлом. Облученные элементы в оболочке из сплавов маг­ нокс хранятся в воде в течение времени, необходимого для сни­ жения активности короткоживущих продуктов деления. Силь­ ная коррозия сплавов магния в это время может привести к контакту урана с водой и загрязнению бассейна выдержки. Очистка воды от хлоридов и карбонатов до содержания их 0,02 мг/л и увеличение pH среды выше 11 почти полностью по­ давляют коррозию магнокса. Следует отметить, что в описы­

Для защиты изделий из сплавов магния в этом случае приме­ няют системы покрытий, в том числе анодирование и лакокра­ сочные покрытия. При изготовлении оболочек сплавы магния сваривают аргоно-дуговой, электроннолучевой сваркой.

244 Г л . 8. Материалы активной зоны

Ф и з и ч е с к и е с в о й с т в а . Алюминий — элемент третьей группы третьего периода периодической системы. Физические свойства алюминия отражены в табл. 8.7. Малое сечение захвата тепло­ вых нейтронов, низкий удельный вес делают алюминий весьма

А288, табл. 8.8). Из этих сплавов изготавливают оболочки твэлов, эксплуатирующихся при температуре до 200°;

более прочные сплавы типа 6061 (см. табл. 8.8) применяют для изготовления технологических каналов.

Значительное упрочнение алюминия может быть достигнуто введением в него окисла алюминия. Изделия из таких компо­ зиций получают методами порошковой металлургии, прессо­ ванием с последующим спеканием тонкодиспергированного алюминиевого порошка. Такие композиции типа САП содержат 8—10% окиси алюминия. Композиции САП состоят из алюми­ ниевых зерен, частично охваченных пленками окисла. Керами-

ческий окисел обладает высокой твердостью и прочностью. Охватывая мелкие зерна алюминия, окись препятствует сра­ станию их в крупные и ограничивает ползучесть. Высокая прочность сплавов САП получается за счет • ухудшения пла­ стичности.

Некоторые элементы, которыми легируют алюминиевые сплавы, значительно растворяются в алюминии в твердом со­ стоянии при повышенной температуре. Растворимость их па­ дает с уменьшением температуры. Для получения структуры алюминиевого сплава в виде твердого раствора сплав нагре­ вают до температуры, обеспечивающей полное растворение легирующего элемента с последующим быстрым охлаждением. При такой операции — закалке — при комнатной температуре фиксируется неравновесный твердый раствор. Поскольку твер­ дый раствор нестабилен, в результате процесса старения про­ исходит его распад. Процесс старения может быть ускорен нагреванием до 120—170° в течение 4—12 ч. Эта обработка называется искусственным старением или дисперсионным твер­ дением. Старение увеличивает прочностные характеристики сплавов алюминия. Для снятия наклепа сплавы алюминия от­ жигают при температуре 350—400° в течение 0,5—2 ч.

Сплавы алюминия, кроме металлокерамических, достаточно пластичны и в этом смысле технологичны. Из них легко изго­ тавливать изделия методом прессования, выдавливания. Свар­ ка сплавов алюминия встречает некоторые трудности, однако процесс этот освоен и широко применяется при изготовлении твэлов. Изделия из сплавов алюминия могут быть соединены пайкой или склеиванием. Благоприятные физические,- механи­ ческие, технологические характеристики сплавов алюминия позволяют широко применять их для изготовления оболочек твэлов и других элементов активной зоны. В первом уран-гра- фитовом реакторе для производства плутония был использо­ ван алюминий марки 1100. Твэлы с оболочкой из алюминиевых

246 Г л . 8. Материалы активной зоны

сплавов применяют в исследовательских реакторах, реакторах

на изготовление каналов и других конструкций активной зоны, требуется высокая прочность.

Механические характеристики. Чистый алюминий очень пла­ стичен и непрочен. Предел прочности его равен 5—6 кГ/мм2. Небольшое количество примесей, присутствующих в техниче­ ском алюминии, упрочняет его. Прессованные и холоднотяну­ тые или холоднокатаные трубы из технического алюминия пос­ ле отжига при температуре 400—450° имеют следующие меха­ нические характеристики:

Относительное удлинение....................... 20— 30%

Несколько более прочен американский сплав 6061, близкий к советским сплавам алюминия с магнием типа АМг. В отож­ женном виде в готовых трубах свойства его таковы:

ленных на основе технического алюминия, являются промежу­ точными между характеристиками технического алюминия и сплава 6061. Скорость ползучести технического алюминия при температуре 100° и напряжении 10 кГ/мм2 составляет 10~2%/ч. Такая же скорость ползучести имеет место при температуре 250° и напряжении 1 кГ/мм2.

Материалы оболочек должны быть совместимы с ядерным топливом. Взаимодействие между ураном и алюминием начи­ нается при температуре 250°. При 300° за 2000 ч в результате взаимодействия возникает интерметаллидный слой толщиной 0,025 мм. Двуокись урана совместима с алюминием до темпе­ ратуры 260°, карбид и нитрид урана — до 540°.

Радиационная стойкость. Вследствие низкой температуры рекристаллизации радиационные повреждения алюминия и его сплавов невелики. Имеет место повышение предела теку­ чести и прочности при сохранении пластичности (для предва­ рительно упрочненных материалов)- или снижении ее до допу­

стимого уровня. В связи' с этим можно заключить, что нейтрон­ ное облучение скорее улучшает, чем ухудшает механические свойства алюминия и его сплавов.

Коррозионная стойкость. Максимальная температура, при которой сплавы алюминия можно применять в водоохлаждае­ мых реакторах, определяется коррозионной стойкостью спла­ вов. Весьма заманчиво с экономической и ядерно-физической точки зрения использовать сплавы алюминия для изготовления оболочек твэлов и технологических каналов кипящих реакто­ ров. Решение этой задачи затрудняется низкой коррозионной стойкостью сплавов алюминия при. температуре 250—300° в во­ де и пароводяной смеси. Длительная и надежная работа изде­ лий пз алюминия и его сплавов в водоохлаждаемых реакторах при температуре ниже 250° в значительной степени опреде­ ляется их коррозионной стойкостью, которая существенно зави­ сит от качества воды, конструктивных особенностей (наличия щелей и зазоров, контактов с другими материалами), состава сплавов, облучения и т. д. Безаварийная работа реактора, в активной зоне которого используют алюминиевые сплавы, мо­ жет быть достигнута лишь при тщательном учете всех приве­ денных выше соображений.

Нормальный потенциал анодной реакции А1 -> А13+ + Зе

равен —1,663 в, что свидетельствует о высокой химической ак­ тивности алюминия. В первую миллисекунду после погружения в водную среду потенциал свежезачищенкого алюминия бли­ зок к нормальному значению. С течением времени потенциал алюминия смещается в положительную сторону до значений от —0,5 до 0,7 в, что связано с образованием на его поверхности окисных пленок. В свою очередь нарушение сплошности окисной пленки на металле, погруженном в раствор, приводит к резкому смещению потенциала алюминия в отрицательную сторону. Резкое изменение электрохимических характеристик алюминия при образовании окисной пленки наряду с другими факторами дает основание полагать, что алюминий способен пассивироваться.

Состав и структура окисных пленок. Рассмотрим состав и структуру окисных пленок, образующихся на алюминии в про­ цессе коррозии. При контакте с воздухом на поверхности алю­ миния образуется так называемая воздушно-окисная пленка толщиной 0,01 мкм. Эта пленка состоит из двух слоев. Внут­ ренний слой, прилежащий к металлу (барьерный), является компактным, наружный состоит из более проницаемого окисла,

248 Г л . 8. Материалы активной зоны

В случае контакта алюминия чистотой 99,995% с насыщен­ ной воздухом дистиллированной водой при температуре до 90° на поверхности металла образуется аморфная пленка окис­ ла алюминия и поверх нее слой бемита АІгОз-НгО с ортором­

обусловливает его пассивацию. Анодная поляризационная кри­ вая алюминия (рис. 8.4) свидетельствует о пассивации алюми­ ния в области потенциалов от —0,4 до —0,75 в.

В случае нарушения сплошности пассивирующей окисной пленки, .например, при перемешивании среды, содержащей ча­ стицы корунда, алюминий активируется и на анодной поляри­ зационной кривой пассивная область отсутствует. Образование на поверхности алюминия окисной пленки путем окисления на воздухе или при анодировании увеличивает пассивную область до потенциала 2,0 в. При температуре, близкой к комнатной, коррозия алюминия и его сплавов протекает преимущественно с кислородной деполяризацией при диффузионном ограничении. Величина предельного диффузионного тока на алюминии в 10 раз меньше, чем на железе и меди, так как на большей части поверхности алюминия катодный процесс не идет.

В активной зоне атомных реакторов сплавы алюминия ча­ сто эксплуатируются при температуре значительно выше ком­

натной. С ростом температуры коррозия алюминия интенсифи­

величина, обратная температуре в градусах Кельвина» связь

к ресурсу работы изделий из этих сплавов. В противном случае, не дойдя по кинетической кривой до момента перелома, можно получить неправильную информацию о стойкости, сплава алю­ миния. С изменением температуры может изменяться и харак­ тер коррозии. Так, при температуре ниже 100° чистый алюми­ ний подвергается общей и иногда язвенной коррозии. При бо­ лее высокой температуре чистый алюминий подвергается меж­ кристаллитной коррозии. 4

Состав сплава. Рассмотрим влияние состава сплавов алю­ миния на их коррозионную стойкость и в первую очередь влия­ ние Ni, Fe, Cu. При комнатной температуре стационарный по­ тенциал чистого алюминия отвечает пассивной области. В этих условиях чистый алюминий (99,9998%) весьма стоек. Примеси Fe, Ni, Cu мало растворяются в алюминии и образуют интер­ металлические соединения FeAl3, NiAl3, CUA12.

Перенапряжение катодных реакций, особенно реакции раз­ ряда иона водорода, на этих интерметаллических соединениях значительно меньше, чем на чистом алюминии. Вследствие это­ го скорость катодных процессов и стационарный потенциал на