Файл: Герасимов В.В. Материалы ядерной техники учеб. пособие.pdf

внутренних напряжений путем пластической деформации. В зер­ нах облученного поликристаллического урана имеется большое число двойников и полос скольжения. Зерна деформируются. В результате взаимного воздействия беспорядочно ориентиро­ ванных зерен происходит их пластическая деформация и так называемый радиационный наклеп металла.

Чрезвычайно важной особенностью механического поведения урана непосредственно под облучением является резко выра­ женная ползучесть, так называемая сверхползучесть или радиа­ ционная ползучесть. В нейтронном поле ползучесть закаленного, отожженного и текстурированного урана превосходит его пол­ зучесть вне нейтронного поля в десятки и сотни раз. При облу­ чении в потоке нейтронов с плотностью 6 -ІО12 нейтрон/(см2х Хсек) ползучесть урана при температуре 220° наблюдается при напряжении 0,2 кГ/мм2. При той же температуре испытаний без облучения в уране ползучесть не отмечается. При температуре 100° в условиях облучения уран ползет со скоростью 10_5%/ч под действием нагрузки, составляющей 1% нормального преде­ ла текучести урана при данной температуре. Предполагается, что сверхползучесть связана с идущим под облучением про­ цессом радиационного роста, при котором зерна урана давят друг на друга и доводят тем самым напряжение до предела текучести. В таких условиях приложение далее ничтожной внеш­ ней нагрузки приводит к значительной ползучести, так как по мере деформации радиационный рост в направлении [010] все время повышает напряжения. Ускоренную ползучесть часто связывают с образование?.! дефектов в решетке и с движением атомов в зоне термического пика. Сверхползучесть может выз­ вать деформацию тепловыделяющих элементов, это имело место,

Сплавы урана

Возможности использования чистого урана для изготовления металлических сердечников твэлов ограничены из-за изменения свойств урана при облучении. Термическая и термомеханическая обработки урана, позволяющие получить более устойчивую мелкозернистую и квазиизотропную структуру, не решают пол­ ностью проблемы устойчивости металлического ядерного горю­ чего. Повышение устойчивости ядерного горючего в твэлах с металлическим сердечником может быть достигнуто примене­ нием сплавов урана.

Сплавы урана должны обеспечивать минимальный паразит­ ный захват нейтронов. Для этого легирующие элементы должны

190 Г л . 7. Ядерно-горю чие материалы

иметь минимальное сечение захвата нейтронов. Сплавы должны сохранять размеры и форму при работе в реакторе и обладать высокой прочностью и пластичностью. Сплав должен быть сов­ местим с оболочкой твэла. Диффузионное взаимодействие спла­ ва с материалами оболочки недопустимо, так как в результате диффузии могут возникнуть повреждение оболочки и разруше­ ние твэла. В условиях длительной эксплуатации возможны слу­ чаи нарушения герметичности оболочки, вследствие чего ядерное горючее будет контактировать с теплоносителем. Для предот­ вращения вымывания урана и его продуктов коррозии в тепло­ носитель сплавы должны обладать высокой коррозионной и эрозионной стойкостью.

Сплавы урана, предназначенные для использования в каче­ стве ядерного горючего, можно разделить на две группы: сплавы со структурой a-фазы, в которых небольшое количество легирующих элементов способствует получению мелкозернистого металла без текстуры, и сплавы со структурой у-фазы, в кото­ рых легирующие элементы вводятся в количестве, достаточном для частичной или полной стабилизации кубической у-фазы. Сплавы первой группы на основе природного или слабообогащенного урана применяются главным образом в реакторах на тепловых нейтронах. Примером таких сплавов могут служить сплавы урана с 0,4% А1, с 0,5—2,0% Мо, с 2,0%) Zr, с 0,1% Сг. Сплавы второй группы более универсальны, но из-за высокого содержания легирующих элементов требуют значительного обо­ гащения. Примером сплавов этого типа могут служить сплавы систем U—Mo, U—Zr, U—Nb и тройные сплавы системы U—Zr—Nb со значительным количеством легирующих компо нентов. Значительный интерес представляют композиции на ос­ нове интерметаллических соединений U3Si, UA14 и т. д.

Сплавы с железом. Легирование урана небольшим количе­ ством (сотые доли процента) железа улучшает эксплуатацион­ ную надежность сердечников твэлов. После закалки у такого урана измельчается зерно и повышаются механические харак­ теристики. Эти обстоятельства ослабляют радиационное огруб­ ление поверхности сердечников твэлов. Урановый угол диаграм­ мы состояния U—Fe представлен на рис. 7.6. В этой системе образуется ряд интерметаллидов урана. Предельная раствори­ мость железа в а-уране близка к нулю, а в ß- и у-фазах — соответственно 0,5 и 1,8 ат.%.

Сплавы с алюминием. Алюминий практически нерастворим в а-уране. Предельная растворимость алюминия в ß- и у-фазах составляет соответственно 0,18 и 0,6%■ В системе U—А1 обра­ зуются три интерметаллических соединения.

Диаграмма состояния системы U—А1 представлена на рис. 7.7. Легирование урана небольшими добавками алюминия

используется для получения мелкозернистого металла со струк­ турой a-фазы. В структуре сплавов с содержанием алюминия 0,15—0,5% имеются включения интерметаллида UA12. Сплав

ссодержанием алюминия 0,4% рекристаллизуется очень быстро

иприобретает мелкозернистую полиэдрическую структуру с размером зерен 10—20 мкм. Зерна с предпочтительной ориенти-

Содержание Fe, am. %

Рис. 7.6. Урановый угол диаграммы системы U — Fe.

ровной практически отсутствуют. Такой сплав обладает высо­ ким сопротивлением термической усталости и значительно более устойчив к изменению формы при циклических нагреваниях и облучении, чем чистый уран.

Определенный интерес для использования в реакторах пред­ ставляют уран-алюминиевые сплавы, содержащие менее 35% U. В сплаве с 14—16% U значительное количество алюминия нахо­ дится в виде соединения UA14. Структура сплава состоит из кристаллов первичного соединения UÂ14, распределенных в матрице, состоящейиз эвтектики А1—UA14.

Из трех интерметаллических соединений наиболее важное значение для дисперсионных твэлов имеет соединение UAU. Сфероидальная форма включений этого соединения благоприят­ ствует сохранению формы металла матрицы и не вызывает трудностей при изготовлении твэлов.

Сплавы с кремнием. Диаграмма состояния U—Si представ­ лена на рис. 7.8. В а-уране кремний практически не растіво-