Файл: Герасимов В.В. Материалы ядерной техники учеб. пособие.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 182
Скачиваний: 1
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.
Глава 4
ТЕПЛОНОСИТЕЛИ АТОМНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
УСТАНОВОК
Атомные энергетические установки предъявляют ряд специ фических требований к теплоносителям. Так, теплоноситель не должен изменять своих теплофизических и химических свойств в поле радиации, должен минимально активироваться при облу чении и, что особенно важно для реакторов на тепловых ней тронах, иметь малое сечение захвата. Продукты взаимодействия теплоносителя с конструкционными материалами, откладываясь
на |
теплопередаюЩ'Их поверхностях, ухудшают |
теплопередачу |
со |
всеми вытекающими отсюда последствиями. |
Кроме того, |
отложение радиоактивных продуктов коррозии затрудняет об служивание контура. Отсюда следует требование малой агрес сивности теплоносителя по отношению к конструкционным мате риалам.
Теплоноситель должен иметь высокую теплоемкость и вы сокую температуру кипения, чтобы высокотемпературный контур мог работать при низком давлении. Желательно, чтобы тепло носитель был негорюч, нетоксичен, дешев и недефицитен. К со жалению, подобрать вещество, удовлетворяющее всем требова ниям, крайне трудно. Наибольшее распространение в качестве теплоносителей атомных энергетических установок получили вода, жидкие металлы, органические и газовые теплоносители.
§ 4. 1
Жидкометаллические теплоносители
Применение в качестве теплоносителя в ядерных реакторах жидких металлов вместо воды дает ряд преимуществ. В реак торах на быстрых нейтронах применение в качестве теплоно сителя воды под давлением нецелесообразно, поскольку вода замедляет нейтроны. Высокая температура кипения большин ства жидких металлов позволяет создавать высокотемператур ные контуры при низком давлении в них. Радиация может лишь активировать жидкометаллический теплоноситель, не вы зывая в нем явлений, подобных радиолизу воды. Малое давле ние насыщенных паров и высокая термическая и радиационная
3 ,В . В . Гер аси м ов, А . С . М он ахов
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-
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
4.1 |
|
Некоторые |
физические свойства жидких металлов |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N a - |
Сноіістпа |
|
Ві |
Pb |
Li |
Hg |
К |
Na |
— 1'1 % |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
К |
Температура плавления, °С |
271 |
327 |
180,5 —38,8 |
63,7 |
97,8 |
19,0 |
|||
Температура кипения, |
°С |
1477 |
1737 |
1336 |
357 |
760 |
883 |
825 |
|
Удельная массовая тепло- |
0,0354 0,0352 |
1,034 |
0,0329 0,1826 0,3055 0,2512 |
||||||
емкость, ккал!{кг-град) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
при 40СР С |
|
|
|
10,7 |
0,61 |
13,7 |
0,82 |
0,93 |
0,89 |
Плотность при температуре |
10,0 |
||||||||
плавления, г/сл3 |
|
|
13,4 |
13,0 |
40,5 |
10,85 |
34,0 |
59,0 |
23,1 |
Теплопроводность, |
|
||||||||
ккал/(м- ч-град) |
при 400'С |
0,034 |
0,17 |
71 |
374 |
1,97 |
0,52 |
0,96 |
|
Сечение захвата тепловых |
|||||||||
нейтронов, барн |
(10 |
см-) |
|
|
|
|
|
|
|
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
§ 4.1. Жидкометаллические теплоносители |
67 |
50 Мет составит 104 —ІО7 кюри. Поскольку период полураспада 24Na невелик, после остановки реактора уровень радиоактив ности быстро снижается.
Применение жидкометаллнческнх теплоносителей наклады вает ряд требований к конструкции ядерных установок. Для интенсивного отвода тепла необходимо иметь значительные ско рости теплоносителя и существенное повышение температуры его (на 100—120°) при прохождении активной зоны. Низкое давление паров расплавленных металлов упрощает конструк цию и эксплуатацию оборудования. В случае применения жидкометаллических теплоносителей реакторная установка услож няется системами для плавления металла, передавливашія рас плава в контур, очистки расплава от окислов, устройством для прогрева контура.
Коррозия в жидкометаллических теплоносителях. При кон такте конструкционных материалов с жпдкометаллическими теплоносителями могут иметь место следующие виды кор розии:
1 ) растворение металла в расплаве, в том числе селектив ное растворение тех пли иных компонентов сплава;
2 ) перенос массы;
3) межкристаллитная коррозия.
Процесс растворения твердого металла в жидком состоит из двух стадий. На первой стадии происходит разрыв .связей атомов в кристаллической решетке твердого металла и образо вание новых связей с атомами жидкого металла или с его примесями. Эта стадия происходит в слое жидкого металла, прилегающем к твердому, в так называемом пограничном слое. На второй стадии растворенные атомы диффундируют сквозь пограничный слой в объем жидкого металла. Любая из этих стадий может быть замедленной и тем самым контролировать в целом скорость растворения. В большинстве случаев контро лирующей является вторая стадия. Растворение металла со провождается одновременно обратной реакцией — выделением растворенных атомов из жидкого металла.
При равенстве скоростей обеих реакций наступает насы щение жидкого металла растворенными атомами. В общем виде кинетическое уравнение растворения имеет следующий вид:
(4 .1 )
где п — концентрация растворенных атомов в момент времени t\ Па, — концентрация насыщения; а ■— константа скорости раство рения; 5 — поверхность твердого металла, находящегося в кон такте с жидким; Ѵт — объем жидкого металла; t — время.
3 *
68 |
Г л . 4. Теплоносители |
|
Зависимость концентрации насыщения от температуры выра |
||
жается |
уравнением |
|
|
lg («со ■ІО1) = 1,8266- |
(4 .2 ) |
Растворимость какого-либо элемента в жидких металлах яв
ляется функцией атомного номера растворяемого |
металла. |
В жидкометаллнческих растворах (так же как и в |
твердых) |
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
§ 4.1. Ж идкометаллические теплоносители |
69 |
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
ной коррозии |
стали 15Х5М в эвтектике РЬ — Ві при |
темпе |
ратуре 550° за |
1000 ч испытаний с ростом напряжения |
от 1,5 |
до 10 кГ/мм2 возросла с 25 до 50 мкм. |
|
|
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
