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

234 Г л . 8. Материалы активной зоны

элементы. Кадмий обладает плохими механическими характе­ ристиками, Au, Re, Rh и Ir слишком дороги. Ртуть — жидкость, применение ее в системе регулирования связано с рядом труд­ ностей. Гафний может быть применен в элементарном виде, се­ ребро для получения лучшей комбинации физических и меха­ нических свойств используется в виде сплава с индием и кад­ мием. Остальные элементы используются в виде окислов или смеси окислов, обычно диспергированных в металлической мат­ рице. Бор применяется в виде карбида в металлической или ке­ рамической матрице, а также в качестве легирующего элемен­

ваться без защитных покрытий. В настоящее время материала­ ми для регулирующих стержней чаще всего служат бор в виде карбидов и сплавов, легированная бором сталь, гафний, сплав серебра с индием и кадмием, окислы редкоземельных элемен­ тов, диспергированных в металлических матрицах.

Соединения бора. Из соединений бора наиболее часто при­ меняют карбид бора — В4 С. Это тугоплавкий материал с тео­ ретической плотностью 2,51 г/см3. Реальная плотность обычно бывает 2,4 г/см3. Карбид бора хрупок, но обладает высокой термостойкостью. В случае разрушения оболочки скорость ра­ створения карбида в воде невелика. Искажения кристалличе­ ской решетки карбида, имеющие место в результате нейтрон­ ного облучения, частично отжигаются при температуре 700—

к локальному увеличению давления в газовой полости, возник­ новению местных напряжений и трещин. Другим продуктом рассматриваемой ядерной реакции является литий. Присутст­ вие лития в борсодержащем материале ухудшает его корро­ зионные свойства, так как литий активно реагирует с водой.

При введении в легированную сталь бора количество его не должно превышать 3%. При более высоком содержании бора стали становятся крайне хрупкими и плохо обрабатываются. Так, введение в состав сталей 2% В уменьшает относительное удлинение в — 10 раз. Накопление гелия при облучении нейт­ ронами может привести к растрескиванию стали, легированной бором. До 90% выгорания бора нержавеющая сталь имеет хорошую коррозионную и радиационную стойкость и может

применяться без защитного покрытия. Несколько меньшая кор­ розионная стойкость у сплавов титана, легированных бором до 1,7%. Сплавы же циркония, легированные 2% В, нестойки в воде при 300—360°. Легирование бором снижает пластичность титана и циркония. Облучение усиливает этот эффект.

Наряду со сплавами для изготовления регулирующих стержней широко используют дисперсионные материалы. К ним относятся бораль — карбид бора, диспергированный в алюми­ нии, а также в нержавеющей стали, титане, цирконии. Диспер­ сионные материалы по сравнению со сплавами обладают луч­ шей радиационной стойкостью.

Гафний. Гафний и его сплавы можно применять в регули­ рующих стержнях без защитных оболочек. По коррозионной стойкости гафний превосходит цирконий. Гафний более пласти­ чен, чем цирконий, и превосходит цирконий по прочности. Гаф­ ний целесообразно применять для поглощения надтепловых нейтронов. Сечение поглощения тепловых нейтронов сравни­ тельно малое. Вследствие этого для поглощения значительного количества нейтронов требуются относительно массивные стержни.

Сплавы серебра. В качестве поглощающего материала мож­ но применять сплав серебра с 15% In и 5% Cd. Как нейтрон­ ный поглотитель этот сплав сравним с гафнием и превосходит сплав Ag — 30% Cd. При поглощении нейтронов серебро пре­

состав сплава изменяется. Рассматриваемый сплав стоек в во­ де с pH 9—10,5 при температуре 265°. Контактной коррозии этого сплава в паре с нержавеющей сталью не наблюдается. После облучения интегральным потоком 1,4-ІО21 нейтрон/см2 изменения размеров образцов и изменений структуры не наб­ людалось.

Редкоземельные элементы. Редкоземельный элемент евро­ пий целесообразно применять для изготовления регулирующих стержней, эффективность которых не должна меняться в тече­ ние длительного времени. Изотопы, которые образуются при захвате нейтронов в таком стержне, имеют большое сечение захвата. В связи с этим стержни, содержащие европий, будут эффективны длительное время. Однако необходимо отметить, что европий крайне дорог.

Гадолиний может быть введен в качестве легирующего эле­ мента в нержавеющую сталь, сплавы титана. Такие сплавы с содержанием гадолиния до 25% обладают высокой коррозион­ ной стойкостью в воде до 360°. Твердость и хрупкость нержа­ веющих сталей с гадолинием возрастает с увеличением содер­ жания последнего. Коррозионная стойкость сплавов титана

236 Г л . 8. Материалы активной зоны

снижается по мере увеличения концентрации редкоземельных элементов.

Из экономических соображений целесообразно применять редкоземельные элементы не в виде металлов, а в виде более дешевых окислов. Наиболее низкую стоимость имеет смесь окислов ряда редкоземельных элементов. Стержни из окислов редкоземельных элементов изготовляют методом порошковой металлургии: прессовкой с последующим спеканием. Стержни из окислов редкоземельных элементов применяют обычно в оболочке из нержавеющей стали.

Окислы редкоземельных элементов могут быть диспергиро­ ваны в матрице из нержавеющей стали. Наряду с окислами в регулирующих стержнях можно применять бориды редкозе­ мельных элементов. Эти соединения инертны и имеют высокую твердость.

Выгорающие поглотители. Материалы с высоким сечением захвата нейтронов применяют не только для регулирования мощности, но и в .качестве выгорающих поглотителей. Послед­ ние могут вводиться в активную зону на все время работы ре­ актора. В процессе работы реактора расходуется ядерное го­ рючее и уменьшается количество ядер поглотителя в резуль­ тате ядерных реакций, протекающих при поглощении нейтро­ нов. Одновременно протекают два процесса: снижение общего уровня реактивности вследствие выгорания ядерного горючего и высвобождение добавочной реактивности, скомпенсированной вначале избыточным количеством поглотителя. При определен­ ной скорости выгорания поглотителя реактор будет критичен при длительной эксплуатации активной зоны. При этом мень­ шую долю реактивности необходимо компенсировать регули­ рующими стержнями. В большинстве случаев в качестве выго­ рающего поглотителя применяют *°В. Соединения его диспер­ гируются в алюминии, нержавеющей стали, графите и т. д. Кроме бора в качестве выгорающих поглотителей могут быть использованы Ш, Eu, Gd, Sm, Cd, Hg. Выгорающий поглоти­ тель гомогенно смешивается с ядерным горючим. В этом слу­ чае, однако, может произойти нежелательное изменение ядер­ ного топлива и будет затруднена последующая регенерация его.

Материалы защиты. Ядерный реактор является источником нейтронного, a-, ß- и у-излучения. В связи с этим необходимо принимать меры к защите от облучения обслуживающего пер­ сонала. Для осуществления защиты реактор должен быть экранирован материалами, способными поглощать энергию из­ лучения. Защита от а- и ß-излучения не представляет трудно­ стей. Длины пробега этих частиц в твердых телах и в воздухе столь невелики, что специальной защиты от этих видов пзлу-

чеиия не тербуется. Иначе обстоит дело с нейтронным и у-из- лучением, так как оно обладает большим проникающим дейст­ вием. Способность материалов поглощать нейтроны существен­ но зависит от величины энергии нейтронов. Для поглощения нейтронов энергия их должна быть снижена по сравнению с исходным значением энергии нейтронов, освободившихся в про­ цессе деления ядерного горючего.

К системе защиты реактора предъявляют следующие тре­ бования:

1)защита должна снижать энергию нейтронов до теп­

ловой;

2)поглощать замедленные нейтроны (если толщина за­ щитного слоя должна быть минимальной, то материалы защи­ ты должны обладать значительным сечением поглощения теп­ ловых нейтронов);

3)эффективно поглощать проникающее у-излучение. При

выборе материала для защиты необходимо учитывать не толь­ ко их физические характеристики, но и экономические показа­ тели и технологичность материалов; для эффективного погло­ щения у-излучения целесообразно применять тяжелые ме­ таллы.

Таким образом, защита реактора должна обеспечить: сни­ жение энергии нейтронов, поглощение нейтронного и у-излуче­ ния. Понижение энергии нейтронов — это замедление их. Ха­ рактеристики материалов замедлителей были рассмотрены ра­ нее. Любые материалы, являющиеся эффективными замедли­ телями нейтронов, с теоретической точки зрения пригодны к использованию в системе защиты реактора. При решении кон­ кретных вопросов необходимо учитывать не только физические, но и другие характеристики материалов.

лов, используемых в системе защиты. В реакторах бассейново­ го типа вода выполняет одновременно функции замедлителя и защиты. На ряде энергетических реакторов создают баки водя­ ной защиты. Однако в ряде случаев применение воды в каче­ стве материала для защиты реакторов ограничено, так как толщина требуемого слоя воды должна быть значительной, а это сказывается на общих размерах реактора. Увеличение мощности реактора связано с повышением температуры воды в системе водяной защиты. По этим причинам и ряду других соображений вместо воды в системах защиты иногда целесо­ образно применять другие материалы, содержащие • водород, гидриды, углеводороды. Вопрос о применении в системе защи­ ты этих материалов, а также бериллия, графита должен ре-

238 Г л . 8. Материалы активной зоны

шаться с учетом их экономических, технологических характери­ стик и радиационной стойкости. Характеристики материалов с высоким сечением поглощения тепловых нейтронов рассмат­ ривались выше. Наиболее часто для этих целей в системах защиты применяют композиции, содержащие бор, в частности, стали перлитного класса, легированные бором. При содержа­ нии бора 1—2% из таких сталей прокаткой могут быть изго­ товлены листы. При более высоком содержании бора стали становятся нетехнологнчными. Прокатка их затруднена, а за­ частую и невозможна.

В системе защиты от нейтронного облучения применяют бораль. Этот материал представляет собой металлокерамическую

Тепловая защита предназначена в основном для уменьше­ ния возможности попадания тепловых нейтронов в биологиче­ скую защиту. Энергия, выделяемая при поглощении этих ней­ тронов, вызывает нагрев материала тепловой защиты. В связи с этим необходимо подбирать материалы с соответствующими свойствами и охлаждать тепловую защиту. Обычно тепловую

Причиной роста серого чугуна является выделение в нем сво­ бодного углерода при распаде карбида железа. Для этих же целей можно применять не склонную к росту малоуглероди­ стую сталъ. Однако получение из нее крупных отливок слож­ но. Более целесообразно собирать тепловую защиту из отдель­ ных покЬвок, размеры которых определяются экономической целесообразностью. Обычно борсодержащие композиции и ста­ ли применяют в защите реакторов, где существенное значение имеет размер и вес защиты.

Если вес и размер защиты не являются лимитирующими факторами, в качестве основного материала защиты исполь­ зуют цемент и бетон. Такие решения осуществлены на боль­ шинстве энергетических и исследовательских реакторов. Стои­ мость бетонной защиты будет определяться не только стои­ мостью цемента и заполнителей, но и способом изготовления защиты, наличием и расположением в ней отверстий и т. д. Степень ослабления интенсивности нейтронного потока систе­ мой биологической защиты в большой степени зависит от со­ держания воды в материале защиты, которое в свою очередь определяется в основном типом используемого бетона и спосо­ бом его изготовления. Поглощение нейтронов бетонной защи­ той может быть значительно увеличено введением бора в со­