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

Существенно влияет на результат радиационного воздействия температура облучения. Как правило, чем выше температура облучения, тем меньше изменение свойств. Наиболее полное снятие радиационных повреждений имеет место при температуре выше температуры' рекристаллизации. При больших интеграль­ ных потоках облучения (ІО21 нейтрон/см2) полное устранение радиационных повреждений невозможно. Вследствие протека­ ния ядерных реакций в металлах и сплавах образуются ядра новых элементов. Естественно, они не могут быть устранены термической обработкой. Изменение свойств облученного ме­ талла или сплава вследствие образования ядер нового элемента называют трансмутацией.

Облучение перлитной или ферритной стали при температуре 400° ведет лишь к небольшому изменению механических свойств, а при 450—500° и выше облучение даже значительными инте­ гральными потоками свойств ферритных сталей практически, не изменяет. Однако в некоторых сталях, имеющих превращение в твердом состоянии, под действием облучения в относительно жестком спектре нейтронов наблюдается аномальное изменение механических свойств. Так, свойства при растяжении сталей ЗОХМА, 2X13, 1Х17Н2 значительно изменяются в результате облучения при температуре 500—600°, а свойства стали Х17, нечувствительной к термической обработке, остаются практически неизменными.

Поведение аустенитных сталей под действием облучения нейтронами несколько отличается от поведения перлитных и ферритных сталей. В аустенитных сталях вследствие облучения кроме обычного радиационного упрочнения наблюдается высо­ котемпературное охрупчивание. Следует разделять радиацион­ ное упрочнение при температуре облучения ниже 600° и высоко­ температурное охрупчивание, которое наблюдается в процессе испытаний образцов, облученных при температуре выше 600— 650°. В результате облучения в потоке нейтронов при темпе­ ратуре ниже 600° увеличиваются предел текучести и предел прочности аустенитных нержавеющих сталей и снижаются отно­ сительное удлинение и ударная вязкость. Поскольку аустенитные нержавеющие стали являются высокопластичным материалом, они и после облучения полностью не охрупчиваются и имеют определенный запас пластичности.

В табл. 3.3 приведены механические характеристики аусте­ нитной хромоникелевой нержавеющей стали до и после облу­ чения различными интегральными потоками. Из данных табл. 3.3 следует, что небольшое изменение механических ха­ рактеристик аустенитных нержавеющих сталей происходит уже

дается при увеличении интегрального потока от ІО17 до 1019 ней­ трон-см2. С увеличением интегрального потока предел текучести изменяется более существенно, чем предел прочности. В резуль­ тате облучения интегральным потоком ІО20 нейтрон/см2 предел прочности возрастает на 30%, а предел текучести — на 127%. Дальнейшее увеличение интегрального потока до ІО21—ІО22 ней­ трон/см2 приводит к повышению предела прочности и текучести на 5—6 кГ/см2.

Следует, однако, отметить, что сталь, находящаяся при облучении в сложнонапряженном состоянии, например оболочка твэла при облучении интегральным потоком 7,5- ІО20 нейтрон/см2, охрупчивается в большей степени. В этом случае относительное удлинение снижается до 7—8%. Поведение предварительно де­ формированной стали при облучении нейтронами отличается от поведения отожженной стали. Так, предел текучести деформи­ рованной стали после облучения интегральным потоком ІО20 нейтрон/см2 увеличивается всего лишь на 20—30%•

Облучение нейтронами аустенитной нержавеющей стали при температуре ПО—255° приводит практически к тем же измене­ ниям механических свойств, что и облучение при температурах ниже 100°. При температуре облучения 290° в интегральном

связывают с тем, что при температуре облучения выше 255° идет отчасти процесс старения. Уменьшение эффекта облучения в аустенитных нержавеющих сталях начинается при темпера­ туре выше 350° вследствие частичного отжига радиационных дефектов. Облучение аустенитных сталей при температуре 600° практически не приводит к заметному изменению свойств. От­ жиг радиационных дефектов и восстановление механических свойств стали, облученной при температуре ниже 350°, проис­ ходит при последующем нагреве стали в интервале температур 420—650°. Температура полного отжига составляет 0,5—0,55 абсолютной температуры плавления стали.

приводит к радиационному охрупчиванию. Это явление харак­ теризуется уменьшением длительной прочности и относитель­ ного удлинения при кратковременных испытаниях образцов на растяжение в области температур выше 600°. Этот дефект в некоторых материалах необратим, а в некоторых обратим лишь

стареющей стали с 18% Сг, 28% Ni, дополнительно легирован­ ной вольфрамом при температуре испытания 700° и времени разрушения 700 ч, уменьшилась на 40%, а у стали 1Х18Н9Т — только на 15%■

Механизм высокотемпературного охрупчивания аустенитных сталей и сплавов в настоящее время полностью не раскрыт. Предполагается, что этот эффект связан с образованием газо­ вых пор и полостей по границам зерен, с выделением дисперс­

ных фаз на дислокациях и т. д.

Металл оболочки твэлов быстрых реакторов подвергается воздействию высокой температуры и значительных потоков нейтронов. Облучение интегральным потоком > 1023 нейтрон/см2 при температурах 450—500° приводит к радиационному распу­ ханию аустенитной нержавеющей стали на 10%. Это обстоя­ тельство связывается с образованием в этих условиях интер-

64 Г л . 3. Свойства реакторных материалов

металлических соединений, удельный объем которых больше, чем исходной стали, и накоплением гелия, являющегося про­ дуктом ядерных реакций в стали при описанных условиях. Холодная деформация стали снижает радиационный рост.

В поглощающих материалах, содержащих бор, в резуль­ тате протекания ядерных реакций накапливается гелий. При высокой температуре давление гелия в микропорах возрастает, что может привести к деформации изделия вследствие газового распухания.

66 Г л . 4. Теплоносители

устойчивость являются основными преимуществами жидкометаллическнх теплоносителей по сравнению с водой и органиче­ скими теплоносителями.

Наиболее существенным недостатком большинства жидких металлов является малая по сравнению с водой объемная теплоемкость, что ограничивает аккумуляцию тепла в жидкометаллическом теплоносителе. Однако жидкометаллпческне теп­ лоносители имеют значительно большую теплопроводность, чем вода, что обеспечивает более интенсивную теплоотдачу. (Неко­ торые свойства жидких металлов приведены в табл. 4.1.) В ядер-

ных реакторах с натриевым охлаждением поверхностная плот­ ность теплового потока достигает 2,3• 1 0 б кка.іі (м2 • ч). Жпдко- металлнческие теплоносители, за исключением ртути, при ком­ натной температуре находятся в твердом состоянии. Последнее обстоятельство требует сооружения системы подогрева для плавления металлов, что усложняет конструкцию.

Наименьшее сечение захвата нейтронов имеют Bi, Pb, Na, Ga. В этом смысле они наиболее пригодны в качестве тепло­ носителей для реакторов на тепловых нейтронах. Весьма пер­ спективными теплоносителями для реакторов на быстрых ней­ тронах являются Hg, Li и Na. При облучении нейтронами в жидкометаллических теплоносителях могут образовываться ра­ диоактивные изотопы, ухудшающие радиационную обстановку в контуре. ,С точки зрения наведенной радиоактивности наибо­ лее неблагоприятными свойствами обладают Na и К. Первый дает радиоактивный изотоп 24Na со средней энергией у-пзлу- чения 2,07 Мэв, второй — 38К со средней энергией у-излучения 2,16 Мэв. Уровень радиоактивности 24 Na в реакторе мощностью

Растворимость какого-либо элемента в жидких металлах яв­

растворимость увеличивается при уменьшении различия вели­ чин атомных радиусов компонентов. В изотермических условиях скорость растворения твердого металла уменьшается во вре­ мени по экспоненциальному закону. Скорость растворения мо­ жет контролироваться диффузней сквозь слой в объем жидкого металла. В этом случае перемешивание расплава интенсифи­ цирует процесс растворения.

Деформация, изменяя энергетическое состояние атомов, уве­ личивает скорость растворения.

Для сплавов возможно селективное растворение компонен­ тов. В результате преимущественного перехода более легко­ растворимого компонента сплава в жидкий металл на поверх­ ности металла образуется слой, обедненный этим компонентом, что может привести к фазовым превращениям. Так, вследствие селективного растворения никеля отмечается превращение аусте­ нита в феррит в поверхностном слое при коррозии аустенитных хромоникелевых сталей в жидких Pb, Bi, Li.

Перенос массы наблюдается в системах, отдельные участки которых находятся при различной температуре. В зоне с по­ ниженной температурой раствор вследствие уменьшения раство­ римости становится пересыщенным и происходит выделение кристаллов растворенного элемента. Часть выпавших кристал­ лов остается в холодной зоне, другая часть вместе с потоком жидкого металла вновь попадает в горячую зону. В горячей зоне растворение металла интенсифицируется, так как концен­ трация раствора в холодной части системы понизилась. Процесс переноса массы не замедляется в отличие от процесса раство­ рения в изотермических условиях. Перенос массы из горячей зоны в холодную увеличивается в тех случаях, когда поверх­ ность холодной зоны существенно выше поверхности горячей зоны, и может привести к образованию пробок. Для аустенит­ ной нержавеющей стали 1X18Н1ОТ скорость коррозии в литии в результате переноса массы при температуре в горячей зоне 580°, перепаде температуры 137° и скорости потока 0,15 місек составляет ~ 0Д г/(ді2 -ч). Для низколегированных сталей эта величина может быть на порядок больше.

Перенос массы может происходить и в изотермических усло­ виях. При растворении сплаЕа в жидкий металл переходят и

легирующие элементы, которые переносятся расплавом к дру­ гому металлу. Легирующие элементы могут образовывать со вторым металлом твердые растворы или интерметаллические соединения.

Наиболее распространенным является перенос углерода со сталей, содержащих менее сильные карбидообразующие эле­ менты, к сталям с более сильными карбидообразующими эле­ ментами, а также перенос кислорода и азота от одного металла к другому и из газовой фазы через жидкий металл к твердому. Частный случай изотермического переноса — соединение нахо­ дящихся в плотном контакте и погруженных в жидкий металл двух твердых металлов (так называемое самосваривание).

Межкристаллитная коррозия обусловлена более высоким уровнем потенциальной энергии атомов на границе зерен по сравнению с атомами внутри зерна. Следовательно, энергия активации атомов на границе зерен меньше, а вероятность пере­ хода их в расплав и, следовательно, скорость растворения больше. Фронт коррозии будет углубляться по границам зерен, т. е. будет протекать межкристаллитная коррозия. Даже при достижении предельного насыщения межкристаллитная корро­ зия не прекращается вследствие энергичного локального пе­ реноса массы.

Иногда наблюдается увеличение концентрации некоторых элементов по границам зерен. Если эти элементы легко раство­ ряются в расплаве, межкристаллитная коррозия интенсифици­ руется. Более интенсивная диффузия легко растворимых атомов по границам зерен также способствует межкристаллитной кор­ розии. В частности, межкристаллитная коррозия хромистых сталей в висмуте связывается с преимущественной пограничной диффузией хрома. Ионы кислорода или окись натрия могут химически взаимодействовать с компонентами сплава, в част­ ности с атомами примесей, находящихся на границах зерен. Тем самым кислород, присутствующий в расплаве, может ин­ тенсифицировать межкристаллитную коррозию.

С ростом упругих напряжений в металле скорость межкри­ сталлитной коррозии возрастает. Так, глубина межкристаллит­

Щелочные металлы могут взаимодействовать с кислородом, растворенным в твердом металле. Так, Nb, Та, Ti, Zr, свобод­ ные от кислорода, плохо растворяются в щелочных металлах. В определенных условиях, когда величина свободной энергии образования окисла твердого металла больше, чем величина энергии образования окисла щелочного металла, щелочные ме­ таллы отбирают у твердых металлов растворенный в них