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

прочность II сопротивление ползучести, предел усталости при ра­ бочих температурах, стабильность размеров оболочки при цик­ лических изменениях температуры. Необходимо также знать из­ менение этих характеристик под влиянием облучения.

Высокая теплопроводность материала оболочки и контакт­ ных слоев ее с топливом необходима для снижения разности температуры между теплоносителем, самой оболочкой и ядерным горючим. Градиент температуры в оболочке может вызвать термические напряжения, достигающие десятков килограммов на

1 мм2.

Вопрос о коррозионной и эрозионной стойкости оболочки в теплоносителе и о ее совместимости с ядерным горючим принад­ лежит к наиболее сложным и важным проблемам эксплуата­ ции ядериых реакторов. Коррозионные процессы протекают при высоких температурах, больших скоростях теплоносителя, при наличии'теплопередачи и механических напряжений в металле. Изменение свойств металла и состава теплоносителя под дейст­ вием облучения осложняет эти условия.

Для получения необходимой информации о свойствах мате­ риалов в условиях эксплуатации приходится проводить сложные, длительные и дорогостоящие испытания, в том числе непосред­ ственно в реакторе.

Безаварийная работа канального реактора во многом зави­ сит от надежности каналов. Разрушение стенки канала вслед­ ствие коррозии, эрозии или кавитации приводит к ухудшению теплосъема с твэлов," попаданию теплоносителя в графитовую кладку, что нарушает нормальную работу реактора. Изменение геометрической формы канала вследствие ползучести материала затрудняет замену каналов.

Ползучесть сама по себе создает опасность разрушения ка­ нала. Материал каналов не должен наводороживаться, ибо это создает опасность хрупкого разрушения. Материал, из которого изготовляют технологические каналы и каналы системы управ­ ления и защиты, должен быть прочным, противостоять ползуче­ сти, обладать высокой коррозионной стойкостью, не охрупчи­ ваться, иметь малое сечение захвата тепловых нейтронов.

Замедлитель и отражатель. Материал замедлителя и отра­ жателя должен содержать минимальное количество примесей. В реакторах с графитовой кладкой изменение размера графито­ вых втулок и блоков вследствие радиационного роста или усад­ ки затрудняет замену канала. Отсюда вытекает требование вы­ сокой радиационной стойкости графита и стойкости к окисле­ нию. Весьма важна для физики реактора и плотность графита.

Поглощающие материалы системы управления и защиты (СУЗ). Поглощающие материалы должны иметь высокое сече­ ние поглощения тепловых нейтронов. Для тепловых реакторов

требуются почти «черные» стержни. Стержень называется «чер­ ным», если все нейтроны, проходящие через его поверхность, поглощаются внутри этого стержня. Обычно тело считается «черным» для тепловых нейтронов, если поперечное сечение по­ глощения тепловых нейтронов много больше поперечного сече­ ния рассеяния.

В ряде случаев необходимо поглощать надтепловые нейтро­ ны. Например, гафний считают «черным» вблизи резонансов по­ глощения, которые у гафния расположены при энергиях 1; 1,2; 2,38; 7,8 эв. Подобно гафнию большинство надтепловых погло­ тителей принадлежит к поглотителю резонансного типа. Одним из методов повышения эффективности регулирующего стержня является изготовление его из смеси поглотителей, подобранных таким образом, чтобы резонансные максимумы одного лежали между резонансными максимумами другого. К такому типу по­ глотителей относятся сплавы Cd, Ag, In и смеси редкоземель­ ных элементов. При поглощении нейтронов в результате проте­ кания ядерных реакций в стержне выделяется энергия, приводя­ щая к его разогреву. В поглотителях, где протекает реакция (п, а), к числу которых относится В, практически вся энергия ядерной реакции поглощения выделяется в регулирующем стержне. В поглотителях, где идет реакция (п, у), значительная часть энергии вместе с у-излучением уносится из стержня. В обоих случаях в водо-водяных реакторах с высокой плотно­ стью энерговыделения количество тепла, генерируемого в стерж­ нях, может быть очень высоким. В связи с этим необходимо обеспечить охлаждение стержней. При наличии защитной обо­ лочки на стержне должен быть создан хороший тепловой кон­ такт между материалом поглотителя и оболочкой для беспре­ пятственного отвода тепла через оболочку. Эффективность стержней в работающем реакторе изменяется в течение кампа­ нии. Постепенно за счет протекания ядерных реакций выводится значительное количество ядер поглощающего материала. В ря­ де случаев эффективность стержней мало изменяется при выго­ рании поглощающего изотопа. Это происходит в том случае, когда продуктом ядерной реакции в стержне является стабиль­ ный и долгоживущий изотоп с большим сечением захвата. К числу таких материалов можно отнести диспрозий и европий.

Материалы системы управления и защиты должны обладать большим сечением поглощения нейтронов и в ряде случаев в широком спектре энергий нейтронов. Материалы должны быть радиационностойким'и.

Изменение геометрии поглощающих элементов может выве­ сти из строя систему управления и защиты. С экономической точки зрения выгодно применять неохлаждаемые каналы СУЗ. В связи с этим материал поглощающего элемента и его оболоч­

ка должны быть жаропрочным и стойким к коррозии при вы­ сокой температуре.

Металлоконструкции канальных реакторов. В канальных ре­ акторах с графитовым замедлителем материалы, из которых из­ готовлены конструкции, находящиеся в активной зоне, работают при высокой температуре в условиях интенсивного облучения. К этим материалам предъявляются требования жаропрочности •и радиационной стойкости.

Корпус реактора. Корпус реактора н крышка в рабочих ус­ ловиях подвергаются воздействию механических напряжений вследствие избыточного давления в реакторе, термических на­ грузок в стационарных и нестационарных температурных режи­ мах, вибрационных нагрузок, а на транспортных установках, кроме того, действию ударных нагрузок. Материал корпуса, на­ ходясь в условиях интенсивного нейтронного облучения, должен иметь высокую прочность при достаточном уровне пластичности. Облучение нейтронами в течение всего периода работы реакто­ ра (до 30 лет) не должно вызывать охрупчивания материала. В связи с этим выдвигается требование высокой радиационной стойкости. Материал корпуса должен иметь хорошую тепло­ проводность и низкий коэффициент термического расширения, чтобы не возникали высокие температурные напряжения, а так­ же должен быть стоек к малоцикловой усталости.

Материал корпуса должен быть стойким к коррозии. Загряз­ нение теплоносителя радиоактивными продуктами коррозии ухудшает радиационную обстановку. Местная коррозия может привести к возникновению концентраторов напряжений. Наводороживание особенно в сочетании с облучением может вызвать охрупчивание материала корпуса.

Материал корпуса должен быть технологичным и хорошо свариваться в больших толщинах. Высокий уровень местных напряжений в сварных соединениях требует последующей тер­ мической обработки. Термическая обработка корпусов, имею­ щих значительные габариты, вызывает серьезные трудности.

Заметим также, что высокая прочность материала корпуса реактора позволяет снизить его вес и габариты, что в ряде слу­ чаев крайне важно.

§2 . 3

Требования к материалам узлов, находящихся вне активной зоны

К материалам трубопроводов и паропроводов предъявляют требование высокой прочности и способности противостоять хрупкому разрушению.

трубопроводов обычно значительна. Продукты коррозии, пере­ ходящие в теплоноситель, ухудшают радиационную обстановку и создают опасность образования отложений на поверхности тепловыделяющих элементов.

Барабаны-сепараторы мощных атомных станций с кипящими реакторами имеют значительные размеры: длину до 20 м п диа­ метр до 2,5 м. В корпус барабана-сепаратора вваривается зна­ чительное число патрубков. Указанные обстоятельства обуслов­ ливают требование высокой прочности материалов при доста­ точном уровне пластичности, стойкости к малоцикловой уста­ лости, технологичности, стойкости к коррозии.

При генерации пара происходит концентрирование примесей, находящихся в воде. Последнее обстоятельство резко увеличи­ вает коррозионную агрессивность среды. Материал парогенера­ тора должен быть стоек к коррозии, особенно к коррозии под напряжением. Высокая теплопроводность материала позволяет уменьшить размеры парогенератора.

Скорость потока теплоносителя в циркуляционных насосах существенно выше, чем в трубопроводах. Материал, из которого изготовлены узлы насоса, должен быть стоек не только к кор­ розии, но и к эрозии и кавитации.

Аналогичные требования предъявляют к материалам, иду­ щим на изготовление арматуры.

§ 2 . 4

Материалы, применяемые в реакторостроении

В качестве конструкционных материалов в реакторостроении используют металлы и их сплавы. Это обстоятельство связано с тем, что сплавы металлов могут обладать высокой прочностью при достаточном уровне пластичности, способны упрочняться при пластической деформации.

Металлургические процессы получения и обработки метал­

ченно, там, где требуется высокая пластичность и отсутствие примесей. В качестве материала для прокладок используют вы­ сокочистые никель и медь. Для оболочек твэлов исследователь­ ских реакторов используют алюминий высокой чистоты. В каче­ стве материала замедлителя и отражателя применяют чистый бериллий. Из алюминия технической чистоты (содержание при­