Требования, предъявляемые к конструкционным
Материалам для оболочек твэлов, выбор материала для них
1. Минимальный паразитный захват нейтронов.
2. Механическая надежность, которая обеспечивается высокой жаропрочностью, хорошей теплопроводностью, малым коэффициентом термического расширения. Высокая теплопроводность необходима для быстрой передачи тепла теплоносителю, что обеспечивает минимальную возможность перегрева оболочки и горючего. От коэффициента термического расширения зависят термические напряжения, возникающие в оболочке и горючем при нагревах и охлаждениях, в различных узлах оболочек, нагретых до разных температур.
3. Высокая коррозионная и эрозионная стойкость в теплоносителе и в контракте с ядерным горючим.
По способности поглощать тепловые нейтроны материалы автономной энергетики располагаются в следующий ряд в сторону увеличение: Be, Mg, Zr, Al, Nb, Fe, Mo, Ni. Минимальным сечением поглощения тепловых нейтронов обладает бериллий. Он обладает также малой плотностью, высокой теплопроводностью, небольшим коэффициентом термического расширения. Но перспективы широкого его применения ограничивается тем, что он редкий, дорогой и хрупкий, изготовление из него тонкостенных оболочек твэлов затруднительно.
Магний – очень ценный материал, ибо имеет малое поперечное сечение захвата тепловых нейтронов, легок, теплопроводен, дешев. Недостатки – высокая химическая активность, поэтому нельзя применить в контакте с водяным теплоносителем: имеет низкие механические свойства при повышенных температурах.
|
|
|
Все же магниевые сплавы широко применяются для оболочек твэлов с графитовым и тяжеловодным замедлителем. Сплавы МБ-3, МБ-4, легированные Be, Si, Mn, Fe используют для оболочек твэлов, работающих с теплоносителем углекислым газом при температурах 500-520 ºС.
Наибольшее распространение получили алюминий и его сплавы. Его используют для оболочек твэлов, охлаждаемых водой, воздухом, где коррозионная стойкость сплавов высока.
Цирконий имеет небольшое сечение захвата нейтронов, малую плотность, малый коэффициент термического расширения, высокую температуру плавления. Его недостатки – низкие механические свойства при температурах 300-500 ºС, невысокая коррозионная стойкость в воде и паре при 350-400 ºС, а также в сухом и влажном воздухе, углекислом газе, несовместимость с жидкими металлами. Некоторые из этих недостатков устраняются легированием. Циркониевый сплав (циркаллой) применяется для оболочек твэлов, охлаждаемых водой при 300 ºС.
Сильным конкурентом циркония является нержавеющая сталь 08ХІ8Н9, 08ХІ8Н9Т. Она применяется для оболочек твэлов, охлаждаемых водой при высоких температурах. Несмотря на большое поперечное сечение захвата тепловых нейтронов, они имеют ряд преимуществ, сравнительно с цирконием: они в 15-20 раз дешевле, обладают высокой жаростойкостью, жаропрочностью, коррозионной стойкостью в воде и перегретом паре, устойчивостью в жидких щелочных металлах, высокой технологичностью. Стальные оболочки незаменимы для реакторов на быстрых нейтронах, охладители в этом случае жидкие металлы.
|
|
|
В некоторых случаях, когда необходимы материалы высокого пластичности и коррозионной стойкости, вместо стали применяют никель и его сплавы с медью. Для изделий высокой жаростойкости и жаропрочности, работающих в газовых средах или жидких металлах при температурах 800-900 ºС, используют нихромы и жаропрочные сплавы типа нимонию.
В последние годы находят применение тугоплавкие металлы W, Mo, Nb, Ta. Наибольший интерес предоставляет ниобий, сочетающий тугоплавкость с пластичностью.
Материалы других узлов реакторных установок.
Материал корпуса реактора работает при меньших температурах, меньше и уровень напряжений, чем в оболочке твэла. Но к нему тоже предъявляются жесткие требования, т. к. он должен обеспечить надежность работы реактора в целом в течении длительного времени. Материалы корпуса, кроме жаропрочности, должны обладать большой теплопроводностью, малым коэффициентом термического расширения, ибо в процессе работы в сечении стенок корпуса возможны большие напряжения, что может привести к образованию трещин, т. е. нарушению герметичности, утечке теплоносителя. Поэтому для изготовления корпусов ядерных реакторов вместо аустенитных нержавеющих сталей все более широко применяют перлитные стали, которые при меньшей жаропрочности и коррозионной стойкости обладают более благоприятными теплофизическими свойствами.
|
|
|
Из всех узлов ядерной энергетической установки, находящихся вне реактора, в наиболее жестких условиях работает теплообменник. Отдельные его части контактируют одновременно с теплоносителями обоих контуров, т. е. подвергаются двустороннему коррозионному воздействию агрессивных сред с различными физико-химическими свойствами. Одновременно здесь действуют высокие температура и нагрузка. Поэтому для таких деталей применяют сплавы на основе титана, никеля. Титановые сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью в воде высоких параметров, причем в отличие от стали, они не склонны к коррозии под напряжением в присутствии хлоридов. Никелевые сплавы несколько уступают титановым по коррозионной стойкости.
|
|
|
Магний и его сплавы
Магний – металл серебристо-белого цвета, решетка ГПУ, Ү=1700 кг/м. Магний и его сплавы отличаются низкой плотностью, хорошей обрабатываемостью резанием, способностью воспринимать ударные нагрузки. Марки Мг96 (99,96 % Мg), Мг 95 (99,95 % Мg). Магний обладает низкой коррозионной и химической стойкостью, при нагревании активно окисляется.
Преимущество магниевых сплавов – высокая удельная прочность. Основные легирующие элементы – Mn , M , Zn , Zr.
Наилучшей жаропрочностью обладают сплавы, легированные торием (Th). Увеличение растворимости легирующих елементов в магнии с повышением температуры дает возможность упрочнять его сплавы закалкой и старением.
По технологии изготовления они делятся на литейные Мл2, Мл3 и т.д. и деформируемые МА. Из деформируемых сплавов жаропрочными являются MAII, MAI3, ВМД-I, легированные церием (Сс), неодимом ( Nd), торием, что объясняется выделением высокодисперсных интерметаллидных фаз магния с Nd , Ce , Th. Они длительно работают до 350 °С.
Литейные сплавы для повышения прочности также легируют этими элементами. Для наружных деталей, работающих при температуре 300-400 °С, применяют сплавы МЛ5 и МЛI2.
Для защиты от коррозии изделия магниевых сплавов подвергают оксидированию с последующим нанесением лакокрасочных покрытий.
Бериллий
Это легкий металл серебристого цвета, Ү = 1850 кг/м, температура плавления 1284°С, решетка гексагональная.
Он жаростоек до 800°С, благодаря высоким свойствам оксидной пленки. Бериллий – редкий металл, его добывают из минерала берилла, где он присутствует в виде оксида. Металлургия бериллия сложна из-за его химической инертности. Слитки обрабатываю давлением что бы получить полуфабрикаты, либо перерабатывают в порошок, изделия из которого получают методом порошковой металлургии. Изделия из спеченных блоков можно изготавливать резанием твердосплавным инструментом. Из-за токсичности следует принимать пылезащитные маски. Бериллий используется в чистом виде.
Цирконий и его сплавы
Это металл темно-серого цвета, Ү=6400 кг/м , температура плавления 1852 °С , металл испытывает при 863 °С аллотропическое превращение. α – Zr (t< 863 °C) имеет решетку ГПУ, β – Zr (t> 863 °С) – ОЦК.
Цирконий, как и титан , активно взаимодействует с газами, он коррозионностоек в щелочках, кислотах, воде, морской воде, он не взаимодействует до 500 *С с жидким натрием. Примеси, особенно углерод и азот, снижают коррозионную стойкость циркония, поэтому содержание их должно быть ≤ 0,005%.
Прочность циркония при нагреве выше 500 °С падает. Оксид ZrO2 плотный, сохраняет защитные свойства при нагреве до 500 °С. Вредное влияние углерода и азота устраняется при легировании Sn, Fe, Ni, Cr. Сплав циркаллой-2 содержит Sn, Fe, Cr, его жаростойкость, жаропрочность и коррозионная стойкость такая же, как и у циркония.
Дата добавления: 2018-04-04; просмотров: 348; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!