Файл: Герасимов В.В. Материалы ядерной техники учеб. пособие.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 216
Скачиваний: 1
§ 7.5. Сплавы урана |
195 |
Радиационная стойкость сплавов возрастает с увеличением со держания молибдена.
Наилучшую радиационную стойкость имеет сплав с 10% Мо, облученный в у-состоянии. После закалки в воду облучение при температуре 240° до выгорания 0,09 ат. % не изменило геомет рии образцов. В холоднопрессованных и спеченных сплавах с тем же содержанием молибдена при выгорании 0,18—1,02 ат.% размеры образцов изменились ма 0,5—1,2%.
Сплавы урана с молибденом лучше, чем чистый уран, со противляются газовому распуханию. Стабильность сплавов воз растает с увеличением содержания молибдена. При выгорании 2,5—3,0 ат.% увеличение объема в сплавах с 10—13% Мо со ставляет 2—4%. Такое увеличение объема наблюдается в чи стом уране уже при выгорании 0,2—0,5 ат.%. Коррозионная стойкость сплавов с 10—12% Мо в воде высокой чистоты при температуре до 300° достаточно высока.
Сплавы с ц и р к о н и е м . Цирконий растворяется в значительном количестве в y-U и задерживает структурное превращение. Однако для стабилизации у-фазы при комнатной температуре требуется значительное количество циркония. При добавке нио бия содержание циркония в сплаве, необходимое для фиксиро
вания у-твердого раствора |
при комнатной температуре, сни |
жается. Так, сплав урана |
с 5% Zr и 1,5% Nb был успешно |
использован в экспериментальном кипящем реакторе в США. Температура поверхности твэлов в этом случае составляла 280°, а коррозионная стойкость сплава была удовлетворительна в воде при температуре 300—350°. Максимальная радиационная стойкость сплава с коэффициентом роста 17 достигается после изотермического превращения при 620—650°, которое приводит к образованию сфероидальных частиц а-урана.
Ф и с с и у м . В результате пирометаллургической очистки отра ботанного ядерного горючего достигается удовлетворительная очистка от легколетучих редкоземельных элементов. Однако ■определенная группа элементов — продуктов деления урана — не может быть выведена таким способом. Оставшиеся в топливе
продукты деления — Мо |
(3,42%), Ru |
(2,6%), Тс, Rh, Pd (каж |
дый по 0,3—0,9% )— в |
совокупности |
называют фиссиумом Fs. |
По мере повышения концентрации фиссиума повышается ста бильность у-урана.
В сплаве с 5% Fs у-фаза легко фиксируется при комнатной температуре. Пределы прочности и текучести для этого сплава при 540° составляют соответственно 22—30 и 8—10 кГ/мм2, относительное удлинение 8—13%. Сплав урана с 5% Fs имеет высокую радиационную стойкость. При температуре облучения 360—590° коэффициент радиационного роста равен 1—2. При 600° газовое распухание приводит к увеличению объема на 8%
* 7
196 |
Г л . 7. Ядерно-горю чие материалы |
на каждый атомный процент выгорания. Перспективным яв ляется металлическое горючее примерно следующего состава: U — 15% Pu — 10% Fs.
С п л а в ы с б о л ь ш и м р а з б а в л е н и е м . В последнее время вни мание привлекают сплавы урана с большим разбавлением, со держащие менее 50% U. Такие сплавы изготовляются на основе AI, Zr, Nb — элементов с малым сечением захвата.
|
§ |
7. |
6 |
|
С о в м е с т и м о с т ь |
у р а н а |
с м а т е р и а л о м |
о б о л о ч к и |
|
и |
к о р р о з и я |
у р а н а |
|
В процессе эксплуатации твэлов уран и его сплавы длитель ное время контактируют с оболочкой. Взаимодействие между оболочкой и сердечником может привести к разгерметизации твэлов.
А л ю м и н и й . Тепловыделяющие элементы с сердечником из металлического урана и оболочкой из алюминия или его спла вов используют во многих реакторах на тепловых нейтронах. Скорость взаимодействия урана с алюминием связана с тем пературой уравнением Аррениуса. С увеличением температуры от 181 до 720° скорость реакции возрастает в ІО4 раз. Диффу зионный слой, образующийся между ураном и алюминием, со стоит в основном из интерметаллида UA13. Интенсивное взаи модействие урана с алюминием начинается уже при темпера туре 250°. При 300° между обоими металлами возникает слой интерметаллических соединений, достигающий толщины 0,025 мм за 2000 ч. Скорость диффузии зависит от давления. Предпола гается, что давление нарушает целостность окисных пленок на алюминии и уране, что способствует диффузии. При неблаго приятных условиях диффузионный слой, состоящий из интерме таллида, выходит на поверхность алюминиевой оболочки, в ре зультате чего происходит взаимодействие с теплоносителем и разгерметизация твэла. Для повышения стойкости твэлов из урана с алюминиевой оболочкой применяют промежуточные слои, чаще никелевые. Скорость взаимодействия урана с алю минием при этом снижается и обеспечивается прочное сцепле ние оболочки с сердечником. Аналогичным образом действует промежуточный слой из алюминиево-кремниевой эвтектики.
Ц и р к о н и й . Цирконий совместим с нелегированным ураном и его сплавом с 10% Мо примерно до 500°, а со сплавами урана, содержащими 2—80% Zr или 80—90% Nb, приблизительно до 700°. Со сплавами урана, содержащими 75—-84% А1, цирконий плохо совместим; взаимодействие начинается уже при 500°.
§ 7.6. Совместимость и коррозия урана |
197 |
МагнийМагний совместим с ураном и его сплавами до тем пературы 500°.
Сталь типа 1Х18Н10Т. Совместимость аустенитной нержа веющей стали типа 1Х18Н10Т с ураном можно охарактеризо вать следующим образом. При температуре 500° за 1 год в стали образуется слой урансодержащих интерметаллидов толщиной 0,03—0,04 мм. При 600 и 700° толщина слоя 0,25 и 0,5 мм соответственно. Столь быстрое возрастание скорости взаимо действия с увеличением температуры и опасность локального перегрева оболочки заставляют либо снизить номинальную рас четную температуру, либо изолировать сталь от урана оксиди рованием последнего, слоем натриево-калиевой эвтектики и т. д. Тепловыделяющие элементы с натриевым или натриево-калие вым слоем между горючим и стальной оболочкой применялись в реакторе «Энрико Ферми». Однако такая изоляция ненадежна и в современной практике избегают применять твэлы с урано вым сердечником и оболочкой из нержавеющей стали.
Электрохимическое поведение урана. Уран принадлежит к числу металлов, пассивирующихся в нейтральных средах. В насыщенных воздухом водных средах, не содержащих акти ваторов, при стационарном потенциале уран находится в пас сивном состоянии. Пассивацию урана связывают с образова нием на его поверхности двуокиси урана темно-бурого цвета. Между кристаллическими решетками двуокиси урана и урана имеется структурное соответствие. Так, кристаллографическая плоскость (ПО) двуокиси урана параллельна плоскости (100) урана. В присутствии кислорода в воде образуется более плот ная пленка продуктов коррозии с лучшими защитными свойст вами. При деаэрации воды стационарный потенциал урана смещается в отрицательную сторону и соответствует активной области. Естественно, что скорость коррозии при этом возра стает. Присутствие в среде сильных окислителей в значительной концентрации, например хроматов, перманганатов, смещает стационарный потенциал урана в область перепассивации, что
интенсифицирует коррозию. |
При малой концентрации 0,1— |
1 г/л такие окислители, как |
хроматы, нитриты, действуют как |
пассиваторы. Стационарный потенциал урана в этом случае отвечает пассивной области.
Коррозия урана. В нейтральной насыщенной воздухом среде коррозия урана протекает с кислородной деполяризацией, в де аэрированных средах — с водородной. В последнем случае в продуктах коррозии урана присутствуют гидриды. Присутствие в среде нитратов, сульфатов до концентрации 0,1—1 г/л не влияет на стойкость урана. Хлориды уже в количестве 0,01— 0,1 мг/л депассивируют уран и интенсифицируют его коррозию, вызывая образование язв.
198 |
Г л . 7. Ядерно-горю чие материалы |
Уменьшение pH среды интенсифицирует коррозию урана. Кислые среды, содержащие значительные количества окисли теля, применяются для растворения урана при переработке ядерного горючего. С ростом температуры коррозия урана ин тенсифицируется в соответствии с законом Аррениуса. При тем пературе 100° коррозия идет с водородной деполяризацией со скоростью 2—5 мг[(см2-ч). Перекись водорода как сильный окислитель способствует пассивации урана и снижает скорость его коррозии до температуры 90°. Во влажном паре стойкость урана такая же, как и в воде при той же температуре. В пере гретом паре скорость коррозии урана растет с увеличением дав ления. При наличии щелей доступ кислорода в них затруднен. Последнее обстоятельство приводит к интенсификации коррозии урана в щелях и зазорах. При наличии неплотности в оболочке вода поступает в зазор между урановым сердечником и оболоч кой. Вследствие интенсивного процесса коррозии происходит на копление окислов урана и гидрида, что приводит к распуханию оболочки, образованию так называемых «отдулин».
Повышение коррозионной стойкости урана может быть до стигнуто легированием. Наиболее стойкими являются:
1)сплавы со структурой гамма-твердого раствора;
2)сплавы со структурой пересыщенного альфа-твердого рас твора мартенситного типа;
3) |
композиция на основе |
интерметаллических |
соединений. |
К первой группе принадлежит, в частности, ряд сплавов си |
|||
стемы |
U—Мо с содержанием |
молибдена 13—20% • |
При темпе |
ратуре 100—200° стойкость таких сплавов в десятки раз выше стойкости нелегированного урана. Однако даже при самой опти мальной термической обработке эти сплавы разрушаются в воде
при 300° за время |
от |
30 до |
100 суток. |
Несколько |
менее стоек |
сплав урана с 5% |
Zr |
и 1,5% Nb, закаленный из |
у-области на |
||
мартенсит. К третьей |
группе |
относится |
композиция с 3,8% Si, |
достаточно стойкая в воде при 260°. Композиция с 3,8% Si мо жет применяться при более высокой температуре, чем сплавы со структурой гамма-твердого раствора и альфа-мартенсита. По следние две группы сплавов при длительных выдержках при высокой температуре испытывают структурное превращение с образованием стабильной a -фазы с низкой коррозионной стой
костью.
А т м о с ф е р н а я к о р р о з и я у р а н а . , Металлический уран взаимо действует с воздухом при комнатной температуре. Во влажном воздухе металл покрывается окисной пленкой темно-коричневого цвета, состоящей из двуокиси урана. Состав окисла может от личаться от стехиометрического в сторону избытка кислорода. Скорость коррозии урана при комнатной температуре в сухом воздухе невелика и составляет несколько микрон в год. Увели
§ 7.6. Совместимость и коррозия урана |
199' |
чение влажности и температуры интенсифицирует |
окисление |
урана. Коррозия урана при этом идет по линейному закону. При высокой влажности или при температуре выше 70° окисная плен ка не является защитной. Нагрев на воздухе до температуры выше 500—700° может привести к загоранию урана. Уран более пирофорен, чем цирконий. При низкой температуре уран не взаи модействует с очищенными от влаги и кислорода гелием, азо том, углекислым газом, водородом. Однако при 370° уран реа
гирует с сухим |
азотом, а при 500° — с углекислым газом. |
|
С т о й к о с т ь у |
р а н а в ж и д к |
и х м е т а л л а х . Уран достаточно стоек |
в очищенных от кислорода |
натрии и в эвтектике натрий — ка |
лий. Присутствие в щелочных металлах кислорода интенсифи цирует коррозию урана. Уран имеет большее сродство к кис лороду, чем натрий (—246,6 и —179,8 ккал/моль соответствен но), и в связи с этим уран восстанавливает окись натрия, окис
ляясь до двуокиси урана. В потоке |
натрия |
с |
содержанием |
кислорода 0,005% при 600° скорость |
коррозии |
урана равна |
|
600 мг/(см2-месяц). С очищенными от |
кислорода |
щелочными |
металлами уран практически не взаимодействует до температу ры 500°. Облучение не сказывается на интенсивности взаимодей ствия урана со щелочными металлами до 600°. Даже в случае нарушения сплошности оболочки твэла взаимодействие урано вого сердечника со щелочными металлами не приводит к серь езному загрязнению теплоносителя.
С т о й к о с т ь у р а н а в о р г а н и ч е с к о м т е п л о н о с и т е л е . В дифениле уран значительно более стоек, чем в воде при той же темпера туре. Стойкость урана сильно зависит от чистоты органических теплоносителей. В очищенном дифениле уран стоек в течение по крайней мере 6 месяцев. Контакт урана при нарушении це
лостности |
оболочки |
твэла с |
органическим теплоносителем не |
приводит к существенному загрязнению последнего. |
|||
З а щ и т |
н ы е п о к р ы |
т и я . Для |
защиты от коррозии и в качестве |
промежуточного слоя между урановым сердечником и металли ческой оболочкой твэла на уран наносятся покрытия: Покрытия наносятся гальваническим, химическим, диффузионным, горячим способами, разложением летучих соединений из газовой фазы либо путем создания защитной окисной или нитридной пленки. Качество покрытий существенно зависит от чистоты поверхности урана, в частности, от наличия на ней окислов. Поскольку уран легко окисляется на воздухе, очистка его поверхности представ ляет существенную трудность. Большинство покрытий не защи щает уран от коррозии в кипящей воде сколько-нибудь длитель ное время, в основном покрытия применяются в качестве про межуточного слоя между ураном и оболочкой.