4. Материалы оболочек твэлов

Тепловыделяющий элемент (твэл) – основная конструкционная деталь гетерогенных активных зон, в значительной степени определяющая их надежность, размеры и стоимость.

Оболочка твэла предназначена для предотвращения непосредственного контакта теплоносителя и топлива с целью исключения выхода радиоактивных продуктов деления топлива в теплоноситель, а также коррозии и эрозии топливного сердечника. Оболочка является конструктивным элементом, придающим твэлу необходимую форму и воспринимающим на себя все нагрузки, стремящиеся разрушить твэл. Оболочки твэлов – наиболее ответственные конструкционные детали активных зон, работающие в самых тяжелых условиях. Для уменьшения поглощения нейтронов в оболочках желательно делать их как можно тоньше. Толщина металлических оболочек, определяемая по условиям прочности и технологии изготовления, обычно составляет 0,3 – 0,8 мм.

Одно из основных требований, предъявляемых к материалу оболочек для реакторов на тепловых нейтронах – малое сечение поглощения тепловых нейтронов, что необходимо для уменьшения потерь нейтронов.

В настоящее время в энергетических водо-водяных реакторах на тепловых нейтронах широко используются оболочки из циркония и его сплавов, что объясняется малым сечением поглощения тепловых нейтронов у циркония (0,18 барн). Однако цирконий обладает относительно низкими прочностными показателями при температуре 360 – 400°С.

Наряду с циркониевыми сплавами в энергетических реакторах применяются оболочки из нержавеющих хромоникелевых аустенитных сталей, которые по сравнению с цирконием обладают значительно более высокими жаропрочностью, коррозионной стойкостью, хорошей технологичностью и, кроме того, меньшей стоимостью. Однако основной принципиальный недостаток сталей по сравнению с цирконием, заключается в их большом сечении поглощения тепловых нейтронов (2,7 – 2,9 барн), что требует более высоко обогащенного топлива. Крупным недостатком аустенитных нержавеющих сталей также является склонность к коррозионному растрескиванию, возникающему при наличии в металле растягивающих напряжений, а в охлаждающей воде – хлоридов и кислорода. Большое значение при эксплуатации реакторов в связи с этим приобретает тщательное поддержание предельно низкого содержания в воде хлоридов и кислорода, а также других примесей.

Для высокотемпературных реакторов особый интерес представляют тугоплавкие металлы ниобий (температура плавления 2415°С), молибден (2622°С), вольфрам (3395°С), тантал (2996°С), а также их сплавы, которые можно применять для оболочек твэлов при температуре до 800 – 1200°С в случае использования в качестве теплоносителя гелия или жидких металлов. Следует отметить, что в кислородсодержащих газах (воздухе, углекислом газе и парах воды) стойкость этих металлов весьма низка уже при температуре 500 – 600°С.

В процессе эксплуатации реакторов в материалах твэлов под действием облучения, циклических изменений температуры, воздействия теплоносителя и т. п. происходят глубокие изменения, которые могут стать причиной их разрушения. Полное разрушение твэлов является чрезвычайно крупной и совершенно недопустимой аварией, так как приводит к сильному загрязнению первого контура радиоактивными осколками деления.

Наиболее часто наблюдается потеря герметичности твэлов из-за возникновения трещин в оболочке или в месте приварки герметизирующих пробок. Потеря герметичности ведёт к выходу газообразных продуктов деления в теплоноситель. Попадание теплоносителя внутрь оболочки, обусловленные этим коррозия и вымывание топлива, в свою очередь, усиливают выход осколков деления, в результате чего ещё более существенно повышается радиоактивность теплоносителя в контуре.

Трещины в оболочках могут возникать в результате следующих причин:

- появления недопустимых внутренних напряжений, связанных с действием статических, динамических и вибрационных нагрузок, температурных напряжений, обусловленных наличием резких температурных градиентов как по радиусу, так и по длине твэлов;

- объёмных изменений топлива, обусловленных радиационным ростом, распуханием, фазовыми превращениями горючего и приводящих к появлению сил, стремящихся разорвать оболочку; недопустимого повышения давления внутри твэлов газообразных продуктов деления;

- изменения структуры и физико-механических свойств материала оболочки под действием облучения или в результате диффузионного взаимодействия материалов топлива и теплоносителя с оболочкой, например насыщения оболочек водородом;

- длительного коррозионного и эрозионного воздействия теплоносителя, а также в результате транс- и межкристаллитной коррозии под напряжением в присутствии ионов хлора и свободного кислорода (в водоводяных ректорах при использовании оболочек из нержавеющих сталей);

- дефектов, допущенных при изготовлении твэлов (неоднородность материала оболочки, наличие рисок на поверхности оболочки, низкое качество сварки и т. п.).

В некоторых случаях под действием тех же причин наблюдается изменение формы и размеров твэлов, например искривление, что может приводить к значительным общим и локальным изменениям в распределении топлива и теплоносителя по технологическому каналу и, как следствие, местным перегревам и разрушению твэлов.

В связи с тем, что твэлы представляют собой тела с внутренними источниками тепла и работают при высоких температурах и больших удельных энерговыделениях, наибольшая опасность для них возникает при внезапном прекращении охлаждения. Прекращение подачи теплоносителя в активную зону приводит, как правило, к расплавлению твэлов за счёт остаточного энерговыделения (выделение энергии в процессе радиоактивного распада накопленных осколков деления ядерного топлива). В остановленном реакторе вследствие выделения энергии радиоактивного распада осколков деления, накопленных в твэлах, необходимо охлаждение последних в течение длительного времени после остановки. В противном случае возможно расплавление активной зоны в остановленном реакторе.

Особое внимание при эксплуатации ППУ должно быть обращено на организацию контроля и поддержание требуемого водно-химического режима.