19169

Конструкционные материалы твэлов и ТВС

Лекция

Энергетика

ЛЕКЦИЯ 4 Конструкционные материалы твэлов и ТВС В лекции рассматриваются конструкционные материалы используемые для оболочек твэлов. Оболочка твэла работает в очень сложных напряженных условиях в течение длительного времени при высоких параметрах теплоносител

Русский

2013-07-11

282 KB

33 чел.

ЛЕКЦИЯ 4

Конструкционные материалы твэлов и ТВС

В лекции рассматриваются конструкционные материалы, используемые для оболочек твэлов. Оболочка твэла работает в очень сложных напряженных условиях в течение длительного времени при высоких параметрах теплоносителя и больших тепловых нагрузках. Основные требования к материалам оболочек представлены на рис.1.

Материалы оболочек должны обладать необходимыми физическими свойствами:

  •  высокие температуры плавления и рекристаллизации;
  •  низкий коэффициент термического расширения;
  •  низкую теплоемкость;
  •  отсутствие аллотропических превращений;
  •  иметь минимальное сечение поглощения нейтронов;
  •  обладать достаточной теплопроводностью;
  •  быть совместимой с ядерным топливом;
  •  иметь допустимую термическую усталость;
  •  обладать коррозионной стойкостью в теплоносителе под напряжением;
  •  быть радиационностойкой и химически стойкой к топливу;
  •  иметь устойчивый химический состав и структуру при эксплуатации;
  •  обладать достаточной прочностью и пластичностью при рабочих температурах.

Для рассматриваемого курса необходимо особо отметить свойства, определяющие технологичность материалов:

  •  пластичность, обеспечивающую возможность получения изделий методами деформирования (ковка, прокатка, выдавливание и т.д.);
  •  возможность использования сварки для соединений и герметизации;
  •  отсутствие образования трещин в процессе механической и термической обработки;
  •  возможность регенерации, т.е. повторного использования материала после облучения;

Стабильность изготовления высококачественных тонкостенных труб является одним из важных требований, предъявляемых к материалу оболочки.

В табл.1, 2 приводятся наиболее важные физические свойства металлических конструкционных материалов. Многие из этих материалов уже нашли применение в качестве оболочек твэлов и конструкций активной зоны, другие представляют интерес.

Продемонстрируем влияние свойств материалов на их поведение в процессе эксплуатации на примере термических напряжений, возникающих вследствие тепловых потоков, снимаемых с поверхности твэла.

Для тонкостенных цилиндрических оболочек (радиус много больше толщины оболочки) термические напряжения равны:

,

где Е — модуль Юнга; q — удельный теплосъем; — коэффициент термического расширения; — толщина оболочки; — коэффициент теплопроводности; — коэффициент Пуассона.

Расчет термических напряжений для удельного теплосъем 2,3.106 Вт/м2 показан на рис.2.

Рис.2. Термические напряжения в оболочках из различных материалов

Из представленного рисунка следует, что максимальные термические напряжения при эксплуатации твэлов возникают в оболочках из нержавеющей стали по причине ее низкой теплопроводности. Минимальные — в оболочках из алюминия.

Другим важным фактором, обуславливающим применимость того или иного материала, является коррозионная стойкость. Основные типы коррозии показаны на рис.3.

Рис. 3. Типы коррозионных разрушений:

1—3 — сплошная коррозия; 4—9 — местная коррозия; 1 — равномерная; 2 — неравномерная;

3 — структурно-избирательная; 4 — коррозия пятнами; 5 — коррозия язвами; 6 — коррозия точками;

7 — межкристаллитная; 5 — транскристаллитная (коррозионное растрескивание);  

9 — подповерхностная

Температуры использования материалов в разных типах теплоносителей представлены в табл. 3.

Таблица 3

Предельные температуры использования материалов в теплоносителях, оС

          Теплоноситель

Материал

Na, Ka

Bi, Pb

Hg

H2O

Нержавеющая сталь

900

550

600

400 — 600

Никель

900

300

400

Молибден

900

800

600

Вольфрам

900

800

600

Титан

600

300

300

Цирконий

600

300

300

300 — 330

Сплав алюминия

300

300

300

200

Основные конструкционные материалы

Алюминий и его сплавы

Сплавы алюминия обладают прекрасными технологическими свойствами, малым сечением захвата нейтронов, высокой теплопроводностью. Низкие значения прочностных характеристик и плохая коррозионная стойкость не позволяют использовать сплавы алюминия при высоких температурах и давлениях теплоносителя. Основная область применения — оболочки и элементы конструкций исследовательских реакторов с температурой не выше 210 оС.

Цирконий и его сплавы

По совокупности ядерных, физических и технологических свойств сплавы циркония  являются одним из лучших конструкционных материалов для оболочек твэлов, охлаждаемых водой или пароводяной смесью при температурах 300 — 350 оС. При высоких температурах цирконий интенсивно взаимодействует с кислородом, азотом, водородом. По этой причине все технологические операции по получению циркония и изделий из его сплавов необходимо проводить в защитной атмосфере.

Состав основных сплавав циркония, используемых в качестве оболочек твэлов реакторов с водой под давлением представлен в табл. 4.

Таблица 4

Химический состав основных сплавов циркония, %

Марка сплава

Nb

Sn

Fe

Cr

Ni

O2

110

0,9 – 1,1

0,1

110к

0,9 – 1,1

0,15

635

0,9 – 1,1

1,1 – 1,4

0,3 – 0,5

0,1

Циркалой-2

1,2 – 1,7

0,07 – 0,2

0,05 – 0,15

0,03– 0,08

0,14

Циркалой-4

1,2 – 1,7

1,18 – 0,24

0,07 –0,13

0,14

На рис.4 показана зависимость механических свойств сплава 110 от температуры.  Приемлемые механические свойства сплавы циркония сохраняют до температуры 400 оС.

Рис.4. Влияние температуры на механические свойства оболочки:

— предел прочности в продольном и поперечном направлениях; Δ, ▲ — предел текучести в продольном и поперечном направлениях;   — относительное удлинение

Основным сплавом для оболочек твэлов отечественных реакторов в настоящее время является сплав Zr + 1 % Nb (110). Благодаря более высокой прочности все более широко начинают использовать сложно легированный сплав 635. Для канальных труб реактора РБМК используется сплав Zr + 2,5 % Nb.

Нержавеющие стали

В качестве конструкционных материалов активных зон реакторов на быстрых нейтронах широко применяются нержавеющие стали. Это обусловлено их относительно низкой стоимостью, технологичностью и высокой жаропрочностью.

Наибольшее распространение получили нержавеющие хромо–никелиевые стали аустенитного класса. В последнее время уделяется большое внимание исследованию сталей ферритного, мартенситного и ферритно-мартенситного класса, имеющих лучшую, по сравнению с аустенитными радиационную стойкость. При повышении температуры эксплуатации твэлов перспективным является переход на жаропрочные стали и сплавы с высоким содержанием никеля.

Химический состав сталей показан в табл.5.

Таблица 5

Химический состав нержавеющих сталей

Сталь

Содержание элементов, % весовых

С

Mn

Si

P

S

Cr

Ni

Ti

Nb

Mo

B

V

Al

W

Аустенитные стали

X18Н10Т

0,06–0,11

1,42–1,57

0,51–0,63

0,021

0,006

17,2–18

10–10,7

0,51–0,58

Х16Н11М3

0,09

1,05

0,25

0,023

0,006

15,8

11,4

1,97

Х16Н15М3Б

(ЭИ847)

0,040,07

0,53–0,72

0,18–0,4

0,009–0,018

0,004–0,007

16,05–16,16

14,75–15,2

0,45–0,56

2,83–

3

0,003

Х16Н15М3БР

(ЭП172)

0,07–0,08

0,38–0,53

0,06–0,34

0,009–0,012

0,007–0,02

15,6–16,2

14,6–15,1

0,68–0,84

2,8–2,84

0,005–0,03

02Х16Н15М3Б

(ЭИ844Б)

0,24

0,52

0,31

0,007

0,007

16

14,97

0,39

2,68

Ферритно-мартенситные хромистые стали

Х13М2БФР

(ЭП450)

0,12

0,45

0,2

0,013

0,009

13,3

0,28

0,45

1,62

0,004

0,3

Х13М2С2

(ЭИ852)

0,12

0,33

1,76

0,011

0,009

13,0

0,29

1,69

Высоконикелевые жаропрочные стали

0X15Н36В3Т

(ЭИ612)

0,07

1,41

0,4

0,013

0,006

14,35

36,45

1,36

3,1

Х13Н36М8Т3Ю

(ЭП52)

0,06

1,12

0,58

0,01

0,008

12,65

36,2

3,26

7,85

1,25

Х15Н35М2БТЮ

Р(ЭП150)

0,06

1,21

0,3

0,012

0,01

15,63

35,2

1,0

1,2

2,44

0,002

1,29

Все стали достаточно технологичны, допускают обработку резанием, деформацией, в том числе холодной, хорошо свариваются. На рис. 5 — 8 представлены механические свойства сталей в зависимости от температуры. Как правило, уровень механических свойств позволяет использовать нержавеющие стали до температур порядка 700 оС.

Рис. 5. Зависимость предела текучести стали 0Х16Н15М3Б от температуры:

1 —  исходное состояние;

2, 3 — флюенс 4.1020 и 1022 1/см2

Рис. 6. Зависимость пластичности стали 0Х16Н15М3Б от температуры: обозначения аналогичны рис. 5

Рис. 7. Зависимость предела текучести стали 2БФ1Х13МР от температуры в исходном состоянии (сплошная линия) и после облучения 57 СНА (пунктир)

Рис. 8. Зависимость пластичности стали 1Х13М2БФР от температуры в исходном состоянии (сплошная линия) и после облучения 57 СНА (пунктир)

Применение сталей в реакторах с водой под давлением и в реакторах с графитовым замедлителем ограничено вследствие высоких значений сечения захвата тепловых нейтронов.

Бериллий и его сплавы

Хорошие ядерные и физические характеристики — малое сечение захвата нейтронов, высокая способность замедлять и отражать нейтроны, низкая плотность, высокая прочность и теплопроводность, относительно высокая температура плавления, небольшой коэффициент термического расширения — позволяют считать бериллий наиболее ценным реакторным материалом, в частности хорошим контактным материалом для дисперсионных твэлов.

Металлический бериллий в настоящее время широко используют в качестве материала деталей и узлов отражателя и замедлителя исследовательских реакторов типов СМ-2, МИР, ВВР, а также энергетических реакторов на тяжелой воде.

Применение бериллия в ядерных реакторах позволяет уменьшать критическую массу топлива и тем самым, что очень важно, уменьшать габариты ядерного реактора.

Однако наряду с положительными свойствами бериллий имеет большие недостатки. Металл, редкий и дорогой, хрупкий и весьма токсичный, обладает высокой химической активностью. Герметизация оболочек из бериллия осуществляется с большим трудом. Детали из бериллия изготавливают либо методами порошковой металлургии (прессование и спекание), либо обработкой под давлением заготовок из спрессованных порошков при высокой температуре.

Магний и его сплавы

Магний и его сплавы вызывают интерес как материалы для изготовления твэлов. Магний имеет низкое сечение поглощения нейтронов, высокую теплопроводность, дешев и доступен. Легируют магний цирконием, алюминием, торием, цинком, марганцем, при этом получают сплавы с удовлетворительными механическими и коррозионными свойствами. Чистый же магний при температуре до 100 °С имеет низкую пластичность (5 — 10%). При температуре 400— 800 °С в чистом магнии во много раз увеличивается размер зерна, что еще больше снижает его пластичность. Из сплавов магния широкое распространение получил магнокс (легирование. 0,5—0,7 % Zr и 0,8 °/о А1), используемый в английских и французских графитовых реакторах, охлаждаемых углекислым газом с температурой 330—400 °С.

Ниобий, тантал, молибден, вольфрам

Тугоплавкие металлы «большой четверки» — ниобий, тантал, молибден и вольфрам  обладают хорошей стойкостью во многих жидкометаллических теплоносителях при температурах выше 1000 °С, т. е. на несколько сот градусов выше температурного уровня, достигаемого при использовании стальных оболочек, охлаждаемых жидкими металлами.

Ниобий, тантал, молибден и вольфрам устойчивы в натрии, калии и их эвтектических сплавах при температурах до 1200 °С.  В литии ниобий и тантал устойчивы до 1200, а молибден и вольфрам  до 1400—1650 °С.  В свинце ниобий, тантал, молибден и вольфрам устойчивы до 1000 °С. В висмуте ниобий устойчив до 800, тантал до 920, вольфрам до 1000, а молибден до 1400 °С. При использовании тугоплавких металлов, особенно ниобия и тантала, в реакторах с жидкометаллическими теплоносителями требуется хорошая очистка теплоносителя от кислорода, влаги, углерода и строгий подбор материалов первого контура реактора для предотвращения переноса массы.

Перечисленные металлы и их сплавы с успехом могут использоваться в качестве оболочек твэлов высокотемпературных реакторов, в частности в термоэмиссионных преобразователях и космических двигателях.

Их недостатком является трудность технологии обработки.

Графит

Искусственный графит прочно вошел в ядерную технику как хороший замедлитель с малым сечением захвата нейтронов и как конструкционный материал для оболочек и матриц твэлов и противоосколочных покрытий сферических частиц топлива в высокотемпературных газовых реакторах. Графит используют в качестве матричного и оболочечного материалов в твэлах шарового и призматического типов высокотемпературных реакторов AVR, HTGR и других, для которых потребовался графит с более высокими прочностными характеристиками.

Графит в виде монокристалла имеет большую анизотропию свойств, которая обусловлена его гексагональной слоистой структурой.

Кроме анизотропии свойств, обусловленной кристаллической структурой, имеется также анизотропия свойств, обусловленная главным образом текстурой, образованной в процессе изготовления. Это приводит к различию физических и механических свойств в направлениях, параллельном и перпендикулярном оси прессования или выдавливания.

Реакторный графит обычно получают выдавливанием или формовкой смеси кокса со связкой (в основном пек) с последующим обжигом при температуре  около 800 оС для коксования связки. Для увеличения плотности его пропитывают пеком и осуществляют графитизацию при температуре до 3000 оС. В результате образуется кристаллический графит.

Пиролитический графит представляет собой поликристаллический углеродный материал с различной степенью ориентации в слоях. Его получают разложением углеводородов из газовой среды при высоких температурах на нагретых поверхностях изделий.

Механические свойства некоторых типов графита показаны в табл.6

Таблица 6

Механические свойства графитов

Марка

Плотность

г/см2

Предел прочности, МПа

Модуль упругости, ГПа

сжатие

изгиб

растяжение

ГМЗ

1,6–1,7

33/34

13/11

9/7

0,065/0,05

МПГ

1,7–1,8

100

53

33

0,1

Пирографит

2,1–2,2

350

100

50

0,27

Углеситалл

2

500

200

100

0,21

Углеродные волокна

1,8

4000

2

Следует помнить, что графит — пористый материал и в процессе облучения он может уменьшаться в объеме.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

56254. Домики, которые построила природа 29.5 KB
  Формировать УУД: универсальные учебные действия УУД Личностные УУД: радость общения красотой окружающего мира формирование навыков работы материалами умение использовать цвет для достижения своего замысла; повышение культуры речевого общения развитие способностей к творческому самовыражению.
56255. Виховний захід Студенти - це такий народ 49.5 KB
  Життя продовжується а студентське життя прекрасне Облич подій знайомих коло перед очима постає Ти прожив із нами коледж іще одне життя своє. Відомий французький письменник Віктор Гюго говорив: Життяквітка кохання – мед із неї А американський письменник Теодор Драйзер писав: У коханні головне – несподівано з’явитися і вчасно зникнути Ви хлопці такі не романтичні не можете мислити як поети. А я думаю що любов до себе рідного – от той казковий роман який триває все життя. Це життя.
56256. Внедрение здоровьесберегающих технологий в семье 116 KB
  Здоровье детей катастрофически падает и мы вправе поставить вопрос: Что для нас важнее их физическое состояние или обучение Ещё А. А что происходит в нашей школе сегодня В последние годы наблюдается значительное ухудшение здоровья населения Украины...
56257. ИНФОРМАЦИОННЫЕ И АНАЛИТИЧЕСКИЕ ЖАНРЫ РАДИОЖУРНАЛИСТИКИ 1 MB
  В передачах же, ставящих своей целью эмоциональную подачу материала, стоящих где-то на грани между радиоинформацией и радиоисследованием, необходимо говорить о публицистическом методе. Этот метод, как известно, охватывает основные элементы радиожурналистики...
56258. We Study English 51 KB
  Познайомити з дитячою культурою народу, мову якого вивчаємо. Формувати вміння спілкуватися іноземною мовою підготовлено та непідготовлено. Розвивати інтерес до вивчення англійської мови. Виховувати культурних та ввічливих дітей які знають правила поведінки та вміють застосовувати їх на практиці.
56260. Das Aussehen 48.5 KB
  Мета: практична: активізувати граматичні навички з тем «Відмінювання прикметників» та «Ступені порівняння прикметників», відробити надані раніш ЛО...
56261. Висловлення побажань; вживання Subjonctif présent 28.58 KB
  Bonjour, chers élèves! Aujourd’hui on va systématiser nos connaissances du subjonctif. On va aussi pratiquer les manières d’exprimer nos souhaits. Par quels moyens peut-on exprimer nos souhaits: par e-mail, par lettre, coup de téléphone, pendant l’entretien personnel?
56262. Сучасний урок української мови в школі. Навчально-методичний посібник для студентів педагогічних університетів і вчителів 1.79 MB
  Сучасний урок української мови в школі. Урок як основна форма організації навчальної діяльності учнів з української мови. Мета уроку української мови як системне утворення та шляхи її реалізації. Мотиваційне забезпечення навчальної діяльності на уроках української мови.