Калин Физическое материаловедение Том 6 Част 2 2008

следней больше задерживает рост зерен, чем то же количество этой фазы в виде крупных включений. Влияние примесей на рост зерен тем больше, чем выше их концентрация1.

Закалка. При закалке урана с температур существования β- и γ- фаз устраняется текстура, измельчается зерно и изменяются свойства. Текстура, образующаяся в уране в результате пластической деформации, играет негативную роль, так как способствует усилению анизотропии свойств, увеличению термического и радиационного роста. Она устраняется только после нагрева металла до температур существования β- и γ- фаз. При этом следует иметь в виду, что ее разрушение в β-области требует некоторого перегрева по отношению к температуре α↔β-превращения, величина которого зависит от концентрации примесей. Так, при содержании углерода в уране 0,0037 мас.% перегрев составляет 2 °С, а при содержании

0,015 мас.% – 14 °С.

Сохранение текстуры в β-области связано с устойчивостью доменов α-фазы при температурах выше температуры α→β- превращения из-за образования вокруг них стабилизирующей дислокационной сетки. Эта сетка может закрепляться в уране с повышенным содержанием примесей благодаря возникновению вокруг дислокаций облаков из примесных атомов. Увеличение перегрева уменьшает размер доменов α-фазы и способствует разрушению текстуры.

Длительность выдержки в β-фазе, необходимая для удаления текстуры, снижается с ростом температуры и уменьшением поперечного размера изделий. Их охлаждение после завершения выдержки должно проводиться с определенными скоростями. Быстрое охлаждение (например, закалка в воду) способствует получению более изотропной структуры, чем медленное охлаждение.

Однако следует иметь в виду, что при диффузионном β→α- превращении ориентационное соответствие между β- и α-фазами отсутствует. Поэтому при быстром охлаждении возможно возникновение неоднородной текстуры закалки, обусловленной термическими градиентами и напряжениями. Так, в быстроохлаж-

1 Физическое материаловедение. Т. 5. – М.: МИФИ, 2008. П. 18.5.4

61

денных стержнях урана высокой степени чистоты на периферии преобладает текстура (010), а в осевой зоне имеется недостаток этих полюсов.

Многие свойства урана, особенно его термический и радиационный рост, сильно зависят не только от наличия в нем текстуры, но и от размера зерен. Согласно многочисленным исследованиям оптимальный размер зерен урановых сердечников твэлов должен находиться в интервале 150 – 250 мкм. Однако в литом и отожженном металле размер зерна может быть значительно больше.

Измельчение зерна возможно двумя путями: рекристаллизационным отжигом и закалкой. Однако рекристаллизационный отжиг, уменьшая размеры зерен, не разрушает текстуру в α-уране. В то же время закалка урана с температур существования γ-и β-фаз разрушает текстуру и одновременно измельчает макро- и микроструктуру α-урана (рис. 24.31). Степень измельчения зерен урана увеличивается с ростом скорости охлаждения при закалке.

Уменьшение размеров зерен при закалке обусловлено тем, что при быстром охлаждении урана температуры фазовых превращений снижаются, а степень переохлаждения увеличивается (рис. 24.32). Это способствует росту числа центров зарождения α-фазы при β→α-превращении, что приводит к уменьшению зерна α-урана в результате закалки. Однако при этом необходимо иметь в виду, что β→α-превращение может осуществляться не только диффузионным, но и мартенситным путем. Последний имеет место при больших скоростях охлаждения. Поэтому увеличение скорости охлаждения может привести не только к дальнейшему измельчению зерна, но и к мартенситному β→α-превращению. Фиксировать закалкой β-фазу урана даже при очень больших скоростях охлаждения не удается.

Диаграмма изотермического β→α-превращения урана (рис. 24.33, а), которая описывает его характер в зависимости от скорости охлаждения, имеет две С-образные ветви с «носами» при 600 и 620 °С. Высокотемпературная С-кривая соответствует диффузионному, а низкотемпературная С-кривая – мартенситному характеру β→α-превращения.

62

При непрерывном быстром охлаждении температура мартенситного превращения соответствует 600 ± 20 °С. Критическая скорость охлаждения, при которой превращение приобретает мартенситный характер, составляет ~65 °С/с. При меньших скоростях охлаждения β→α-превращение осуществляется диффузионным путем.

Превращение α→β при всех скоростях нагрева носит только диффузионный характер (рис. 24.33, б). Оно доходит до конца в процессе изотермической выдержки при температуре, превышающей равновесную температуру превращения.

Дополнительное измельчение зерна урана достигается в результате многократных закалок. Повторная закалка применяется как средство разрушения столбчатых кристаллов, образующихся в литом металле. Измельчение зерна закаленного урана возможно также путем применения рекристаллизационного отжига в области α- фазы после закалки из β-фазы. Считается, что движущей силой процесса рекристаллизации является деформация, возникающая в металле в результате закалки. Степень измельчения зерна при этом виде термообработки сильно зависит от скорости охлаждения при закалке.

Легирующие добавки и примеси способствуют измельчению зерна α-урана. Так, при суммарном содержании примесей ~ 0,03 мас.% уран, закаленный с температур существования β- или γ-фаз, имеет зерно ~200÷300 мкм. Введение в уран малых количеств легирующих элементов Si, С, Mo, Zr, Fe, N (≤ 0,1 мас.% каждого) или Аl и Cr (≤ 0,3 – 0,4 мас.%) приводит к уменьшению размера зерна в закаленном металле до ~20÷100 мкм. Следует отметить, что в закаленных в воду урановых стержнях диаметром 28 мм структура является неоднородной: вблизи поверхности возникает кольцо из неравновесных зерен, которые в чистом уране являются столбчатыми, а в слаболегированном – эллипсовидными.

При закалке из γ-области появляются характерные сетки, образованные либо выпавшими из раствора примесями, либо атмосферами Коттрелла вокруг дислокаций, расположенных по границам зерен β-фазы. Они не совпадают с границами α-фазы, а выделяются по границам и субграницам зерен β-фазы. При очень быстром ох-

65

лаждении сетка отсутствует, но она легко появляется при последующем нагреве до высоких температур α- или β-фазы. Кроме сетки, наблюдаются узкие белые полосы, образующие правильные полигональные ячейки, которые являются, возможно, следами границ β-фазы.

В практике термической обработки урана и его сплавов предпочтение отдается β-закалке, так как закалка с более низких температур упрощает этот процесс и позволяет избежать чрезмерного окисления металла, возникающего при закалке. Нагрев урана под закалку осуществляется в защитных газовых атмосферах, расплавленных солях или на воздухе. Выдержка под закалку зависит от диаметра стержня. Охлаждение ведется в воде, масле, инертных газах, воздухе и т.д. Скорость охлаждения наружных и внутренних слоев урановых стержней различна и убывает по мере удаления от поверхности, вследствие чего размер зерен по сечению изделия может быть неоднороден: более мелкие зерна располагаются у поверхности, а более крупные – в центре.

Отжиг закаленного урана в α-фазе приводит к развитию полигонизации, росту субзерен, снимает напряжения (устраняет размытие линий на рентгенограммах). Увеличение температуры и длительности отжига может привести к рекристаллизации закаленного урана.

Закалка с температур β- и γ-фаз вызывает значительное повышение кратковременных и длительных механических характеристик урана. Наибольшие изменения пределов прочности и текучести наблюдаются при закалке из области γ-фазы (на ~60 % по сравнению с аналогичными характеристиками при комнатной температуре). Значения пластичности при этом изменяются мало. Степень изменения прочности закаленного урана зависит от его химического состава и скорости охлаждения.

Сплавы урана

Учитывая высокий уровень требований к ядерному топливу (см. п. 24.1.4) металлический уран необходимо легировать, создавая радиационно- и коррозионно-стойкие сплавы.

66

По характеру физико-химического взаимодействия с ураном легирующие элементы можно подразделить на две группы. К первой группе относят элементы, имеющие малую растворимость в уране: Al, Be, Со, Сu, Fe, Mn, Ni, Pb, Pt, Ru, Rh, Sn, Si, Re, Cr, Mg, Та, Th, W и др. Все они, за исключением Cr, Mg, Та. Th и W, образуют с ураном интерметаллические соединения. Во вторую группу входят элементы, которые обладают большой или полной взаимной растворимостью в γ-фазе урана, такие, как Мo, Nb, Zr, Pu, Ti, V и др., которые по сути являются γ-стабилизаторами.

Введение в уран легирующих элементов, к сожалению, увеличивает потери нейтронов, особенно тепловых, в топливе. Поэтому одним из главных критериев отбора легирующих элементов для сплавов урана, используемых в тепловых реакторах, является возможно минимальное сечение поглощения тепловых нейтронов. Для важнейших легирующих элементов значения этих сечений (для Еn0,025 эВ) приведены в табл. 24.7.

Таблица 24.7.

Сечение захвата тепловых нейтронов основными легирующими элементами урана

Практическое применение нашли те легирующие элементы, у которых сечение поглощения тепловых нейтронов не превышает 3 барнов. С учетом величины сечения поглощения нейтронов и сте-

67

пени влияния на свойства урана наиболее широко из первой группы легирующих элементов используют Аl, Si, Fe и Cr, а из второй –

Mo, Zr и Nb.

Вслучае сплавов урана для быстрых реакторов сечение поглощения нейтронов легирующими элементами не играет столь существенной роли в их выборе, так как с увеличением энергии нейтронов оно сильно падает. Эти сплавы чаще всего содержат значительное количество легирующих элементов второй группы (Mo, Zr, Nb, Ru и др.).

Внастоящее время разрабатываются и находят практическое применение следующие направления в легировании урана.

1. Введение в уран малых количеств (сотые и десятые доли процента по массе) легирующих элементов (алюминия, железа, кремния и хрома). Последующая термическая обработка позволяет осуществить его растворное упрочнение, измельчение зерна и образование в структуре тонкодисперсных равномерно распределенных интерметаллидных фаз. Такое легирование, не влияя существенно на увеличение сечения захвата тепловых нейтронов, позволяет использовать для изготовления сердечников твэлов сравнительно дешевый металлический уран природного изотопного состава. В то же время оно повышает сопротивление урана огрублению поверхности и радиационному формоизменению. Это связано, повидимому, с тем, что структура сплавов с малой концентрацией легирующих элементов способствует уменьшению скорости образования и переползания дислокационных петель межузельных атомов, участвующих в процессах роста и распухания, ускорению рекомбинации точечных дефектов (смещенных атомов и вакансий) за счет закрепления и увеличения центров рекомбинации (развитых когерентных границ второй фазы), задержке процесса рекристаллизации.

Однако затруднение возврата и накопление высокой плотности дислокаций в слаболегированных сплавах при больших выгораниях может привести к рекристаллизации, при которой идет интенсивная коагуляция мелких пузырьков газообразных продуктов деления урана (ГПД) на движущихся большеугловых границах. Поэтому слаболегированные сплавы не уступают по радиационной

68

стойкости более легированным сплавам лишь при выгораниях менее 1 %.

2. Введение в уран сравнительно небольших количеств (менее 10 %) Mo, Zr, Nb и некоторых других элементов для повышения его прочностных характеристик, уменьшения радиационного роста и распухания. Улучшение свойств достигается путем формирования в сплавах с помощью термической обработки каркасной структуры, состоящей из жаропрочной изотропной матрицы, окружающей области -фазы.

3.Введение в уран большого количества (10 и более %) Мо, Zr, Nb и других γ-стабилизирующих элементов с целью фиксации γ- фазы урана, имеющей ОЦК решетку. Сплавы, получающиеся в результате такого легирования, после закалки, а также в процессе облучения сохраняют структуру γ-фазы. Они не подвержены радиационному росту и обладают удовлетворительным сопротивлением газовому распуханию при повышенных температуре и выгорании.

4.Легирование элементами, которые остаются в уране после регенерации отработанного уранового топлива методом окислительного шлакования. Интерес к такому легированию обусловлен простотой процесса регенерации отработанного топлива и высокой радиационной стойкостью получающихся при этом сплавов.

Диаграммы состояния двойных сплавов урана

Сплавы системы U–Al. Как видно из диаграммы состояния сплавов системы U–Al (рис. 24.34), растворимость алюминия во всех модификациях урана весьма мала и составляет по разным данным в γ-уране 0,44 – 0,7 мас.% при температуре 1000 °С, близкой к температуре эвтектического превращения Ж  γ + UAl2 (1105 °С), в -уране от 0,045 до 0,11 мас.% при температуре эвтектоидного превращения γ  + UAl2 (757 °С) и в -уране – менее 0,01 мас.%

при 650 °С.

Растворимость урана в алюминии также незначительна, и при монотектической температуре (646 °С) она равна 0,06 ± 0,02 мас.%; при понижении температуры растворимость падает до менее 0,04 мас.% при 350 °С.

69