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

сплавами циркония, с Cr, Ti, Ni, Pt. С алюминием магний взаи­ модействует при температуре выше 400°.

Низколегированные перлитные стали не взаимодействуют с расплавленным магнием.

Коррозионная стойкость. В сухом углекислом газе при дав­ лении до 50 ат и температуре 580° устойчивы сплавы, легиро­ ванные 2% Be. При температуре до 520° стойки сплавы типа магнокс. Коррозия идет по параболическому закону. Присутст­ вие водяных паров интенсифицирует окисление. При 500° и давлении 14 ат сплавы типа магнокс устойчивы в углекислом газе, загрязненном до 1% СО и до 0,03% водой. Увеличение содержания воды до 2% не вызывает катастрофической корро­ зии, так же как и увеличение содержания воздуха до 50%. С ростом давления углекислого газа скорость коррозии возра­ стает. Облучение интегральным потоком 2 -ІО18 нейтрон/см2 не­ значительно влияет на скорость окисления.

При увеличении температуры сплавы магния воспламе­ няются в атмосфере углекислого газа. Так, при давлении 10 ат температура воспламенения равна 640°. Полное сгорание ма­ териала за счет саморазогрева происходит при температуре не ниже 615°. Оболочки тэвлов из спеченных порошковых магние­ вых сплавов не уступают по коррозионной стойкости в угле­ кислом газе оболочкам из литейных и деформируемых спла­ вов.

В нейтральных средах, в том числе и в дистиллированной воде, магний и его сплавы нестойки. Нормальный потенциал магния равен —2,38 в, т. е. магний является весьма электро­ отрицательным и крайне активным в коррозионном отношении металлом. Облученные элементы в оболочке из сплавов маг­ нокс хранятся в воде в течение времени, необходимого для сни­ жения активности короткоживущих продуктов деления. Силь­ ная коррозия сплавов магния в это время может привести к контакту урана с водой и загрязнению бассейна выдержки. Очистка воды от хлоридов и карбонатов до содержания их 0,02 мг/л и увеличение pH среды выше 11 почти полностью по­ давляют коррозию магнокса. Следует отметить, что в описы­

Для защиты изделий из сплавов магния в этом случае приме­ няют системы покрытий, в том числе анодирование и лакокра­ сочные покрытия. При изготовлении оболочек сплавы магния сваривают аргоно-дуговой, электроннолучевой сваркой.

244 Г л . 8. Материалы активной зоны

Ф и з и ч е с к и е с в о й с т в а . Алюминий — элемент третьей группы третьего периода периодической системы. Физические свойства алюминия отражены в табл. 8.7. Малое сечение захвата тепло­ вых нейтронов, низкий удельный вес делают алюминий весьма

А288, табл. 8.8). Из этих сплавов изготавливают оболочки твэлов, эксплуатирующихся при температуре до 200°;

более прочные сплавы типа 6061 (см. табл. 8.8) применяют для изготовления технологических каналов.

Значительное упрочнение алюминия может быть достигнуто введением в него окисла алюминия. Изделия из таких компо­ зиций получают методами порошковой металлургии, прессо­ ванием с последующим спеканием тонкодиспергированного алюминиевого порошка. Такие композиции типа САП содержат 8—10% окиси алюминия. Композиции САП состоят из алюми­ ниевых зерен, частично охваченных пленками окисла. Керами-

ческий окисел обладает высокой твердостью и прочностью. Охватывая мелкие зерна алюминия, окись препятствует сра­ станию их в крупные и ограничивает ползучесть. Высокая прочность сплавов САП получается за счет • ухудшения пла­ стичности.

Некоторые элементы, которыми легируют алюминиевые сплавы, значительно растворяются в алюминии в твердом со­ стоянии при повышенной температуре. Растворимость их па­ дает с уменьшением температуры. Для получения структуры алюминиевого сплава в виде твердого раствора сплав нагре­ вают до температуры, обеспечивающей полное растворение легирующего элемента с последующим быстрым охлаждением. При такой операции — закалке — при комнатной температуре фиксируется неравновесный твердый раствор. Поскольку твер­ дый раствор нестабилен, в результате процесса старения про­ исходит его распад. Процесс старения может быть ускорен нагреванием до 120—170° в течение 4—12 ч. Эта обработка называется искусственным старением или дисперсионным твер­ дением. Старение увеличивает прочностные характеристики сплавов алюминия. Для снятия наклепа сплавы алюминия от­ жигают при температуре 350—400° в течение 0,5—2 ч.

Сплавы алюминия, кроме металлокерамических, достаточно пластичны и в этом смысле технологичны. Из них легко изго­ тавливать изделия методом прессования, выдавливания. Свар­ ка сплавов алюминия встречает некоторые трудности, однако процесс этот освоен и широко применяется при изготовлении твэлов. Изделия из сплавов алюминия могут быть соединены пайкой или склеиванием. Благоприятные физические,- механи­ ческие, технологические характеристики сплавов алюминия позволяют широко применять их для изготовления оболочек твэлов и других элементов активной зоны. В первом уран-гра- фитовом реакторе для производства плутония был использо­ ван алюминий марки 1100. Твэлы с оболочкой из алюминиевых

246 Г л . 8. Материалы активной зоны

сплавов применяют в исследовательских реакторах, реакторах

на изготовление каналов и других конструкций активной зоны, требуется высокая прочность.

Механические характеристики. Чистый алюминий очень пла­ стичен и непрочен. Предел прочности его равен 5—6 кГ/мм2. Небольшое количество примесей, присутствующих в техниче­ ском алюминии, упрочняет его. Прессованные и холоднотяну­ тые или холоднокатаные трубы из технического алюминия пос­ ле отжига при температуре 400—450° имеют следующие меха­ нические характеристики:

Относительное удлинение....................... 20— 30%

Несколько более прочен американский сплав 6061, близкий к советским сплавам алюминия с магнием типа АМг. В отож­ женном виде в готовых трубах свойства его таковы:

ленных на основе технического алюминия, являются промежу­ точными между характеристиками технического алюминия и сплава 6061. Скорость ползучести технического алюминия при температуре 100° и напряжении 10 кГ/мм2 составляет 10~2%/ч. Такая же скорость ползучести имеет место при температуре 250° и напряжении 1 кГ/мм2.

Материалы оболочек должны быть совместимы с ядерным топливом. Взаимодействие между ураном и алюминием начи­ нается при температуре 250°. При 300° за 2000 ч в результате взаимодействия возникает интерметаллидный слой толщиной 0,025 мм. Двуокись урана совместима с алюминием до темпе­ ратуры 260°, карбид и нитрид урана — до 540°.

Радиационная стойкость. Вследствие низкой температуры рекристаллизации радиационные повреждения алюминия и его сплавов невелики. Имеет место повышение предела теку­ чести и прочности при сохранении пластичности (для предва­ рительно упрочненных материалов)- или снижении ее до допу­

стимого уровня. В связи' с этим можно заключить, что нейтрон­ ное облучение скорее улучшает, чем ухудшает механические свойства алюминия и его сплавов.

Коррозионная стойкость. Максимальная температура, при которой сплавы алюминия можно применять в водоохлаждае­ мых реакторах, определяется коррозионной стойкостью спла­ вов. Весьма заманчиво с экономической и ядерно-физической точки зрения использовать сплавы алюминия для изготовления оболочек твэлов и технологических каналов кипящих реакто­ ров. Решение этой задачи затрудняется низкой коррозионной стойкостью сплавов алюминия при. температуре 250—300° в во­ де и пароводяной смеси. Длительная и надежная работа изде­ лий пз алюминия и его сплавов в водоохлаждаемых реакторах при температуре ниже 250° в значительной степени опреде­ ляется их коррозионной стойкостью, которая существенно зави­ сит от качества воды, конструктивных особенностей (наличия щелей и зазоров, контактов с другими материалами), состава сплавов, облучения и т. д. Безаварийная работа реактора, в активной зоне которого используют алюминиевые сплавы, мо­ жет быть достигнута лишь при тщательном учете всех приве­ денных выше соображений.

Нормальный потенциал анодной реакции А1 -> А13+ + Зе

равен —1,663 в, что свидетельствует о высокой химической ак­ тивности алюминия. В первую миллисекунду после погружения в водную среду потенциал свежезачищенкого алюминия бли­ зок к нормальному значению. С течением времени потенциал алюминия смещается в положительную сторону до значений от —0,5 до 0,7 в, что связано с образованием на его поверхности окисных пленок. В свою очередь нарушение сплошности окисной пленки на металле, погруженном в раствор, приводит к резкому смещению потенциала алюминия в отрицательную сторону. Резкое изменение электрохимических характеристик алюминия при образовании окисной пленки наряду с другими факторами дает основание полагать, что алюминий способен пассивироваться.

Состав и структура окисных пленок. Рассмотрим состав и структуру окисных пленок, образующихся на алюминии в про­ цессе коррозии. При контакте с воздухом на поверхности алю­ миния образуется так называемая воздушно-окисная пленка толщиной 0,01 мкм. Эта пленка состоит из двух слоев. Внут­ ренний слой, прилежащий к металлу (барьерный), является компактным, наружный состоит из более проницаемого окисла,