Файл: Герасимов В.В. Материалы ядерной техники учеб. пособие.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 167
Скачиваний: 1
§ 2.4. |
Реакторные материалы |
23 |
месей не более 0,5%) |
изготовляют баки |
исследовательских ре |
акторов и ряд узлов |
активной зоны. В основном в реакторо- |
строении используют сплавы металлов. Так, сплавы на основе алюминия используют для изготовления оболочек твэлов и тех нологических каналов водоохлаждаемых реакторов для произ водства плутония, для изготовления каналов системы управле ния и защиты канальных кипящих реакторов. Максимальная рабочая температура, при которой могут использоваться спла вы алюминия, 250°. При более высокой температуре сплавы алюминия не стойки к коррозии.
В реакторах, где теплоносителем является углекислый газ, оболочки твэлов изготовляют из сплавов магния. Низкая жаро стойкость и коррозионная стойкость ограничивают уровень ра бочих температур 400°.
Сплавы циркония применяют для изготовления оболочек твэлов водоохлаждаемых реакторов, технологических каналов кипящих реакторов. Максимально допустимая температура 350° ограничена коррозионной стойкостью сплавов циркония и пол зучестью.
Материалы на основе Al, Mg, Zr технологичны, имеют ма лое сечение захвата и поэтому находят широкое применение в активной зоне.
Широкое применение в реакторостроении нашли сплавы на основе железа. В первую очередь следует отметить аустенитные нержавеющие стали. Их применение связано с высокой корро зионной стойкостью в различных теплоносителях, жаропрочно стью, технологичностью. При обогащенном ядерном горючем аустенитные нержавеющие стали используют для изготовления оболочек твэлов, каналов и других элементов активной зоны, а также для плакирования корпусов реакторов, барабанов-сепара торов, выполненных из низколегированной стали. Вне активной зоны эти стали применяют для изготовления трубопроводов пер вого контура, парогенераторов, теплообменников, трубопроводов конденсатно-питательного тракта и контура многократной цир куляции кипящих реакторов, циркуляционных насосов и арма туры. Максимальная рабочая температура 700° обусловлена уровнем лоропрочности аустенитных нержавеющих сталей.
Перлитные низколегированные стали используют для изго товления корпуса, парогенератора водо-водяных реакторов и па ропроводов перегретого пара, барабанов-сепараторов, теплооб менников кипящих реакторов. Наряду с углеродистыми эти ста ли применяют в качестве материала паропроводов насыщенного пара и трубопроводов конденсатно-питательного тракта кипя щих реакторов.
В последнее время показана возможность изготовления из перлитных низколегированных и углеродистых сталей контура
24 |
Г л . 2. Требования к реакторным материалам |
многократной циркуляции кипящих реакторов. Рассматриваемые стали менее коррозионностойки, чем аустенитные. Применение их в водоохлаждаемых реакторах связано с точным соблюде нием соответствующего водно-технологического режима и нали чием средств очистки теплоносителя от продуктов коррозии. Из перлитных сталей изготавливают металлоконструкции каналь ных реакторов. Верхний температурный предел применения низ колегированных сталей (500°) и углеродистых сталей (350°) ограничивается их жаропрочностью. Стали технологичны и хо рошо освоены промышленностью. Существенным достоинством низколегированных и углеродистых сталей является их деше визна.
Сплавы на основе никеля и титана используют для изготовле ния парогенераторов в тех случаях, когда требуется материал, стойкий к коррозии п'од напряжением. Из никелевых сплавов изготовляют теплообменники реакторов с использованием в ка честве теплоносителя натрия.
Вряде случаев использование сплавов титана обусловлено их низким удельным весом. Максимальные рабочие температуры для сплавов титана 400°, для никелевых сплавов 800°. Коррози онная стойкость этих сплавов высока. Большое сечение погло щения нейтронов делает нежелательным использование их в ак тивной зоне реакторов на тепловых нейтронах.
Вядерных космических двигателях, термоэлектрических и термоэмиссионных преобразователях материалы работают при температуре до 3000°. В этих условиях находят применение ту гоплавкие металлы (W, Mo, Nb) и их сплавы. Из них изготов ляют оболочки твэлов и элементы активной зоны. Материалы эти имеют высокую жаростойкость, совместимы с ядерным го рючим. Однако вольфрам и молибден недостаточно техноло гичны и охрупчиваются при температурах, сравнительно низ ких по отношению к температуре их плавления.
Сплавы меди, обладающие хорошей теплопроводностью, ис пользуют для изготовления трубчатки конденсаторов и теплооб менников. Недостатком этих сплавов является низкая коррози онная стойкость при высокой скорости омывающей воды, особен но морской. Кроме того, продукты коррозии медных сплавов,
переходя в теплоноситель, способствуют его активации и обра зованию отложений на твэлах.
Из неметаллических конструкционных материалов следует остановиться на графите. Из графита делают кладку в каналь ных реакторах. Для предотвращения выгорания графита клад ка продувается азотом или гелием, очищенными от кислорода. Содержание примесей с высоким сечением захвата нейтронов в графите стремятся снизить до минимума. Изменение формы и размеров изделий из графита под действием облучения и высо
$ 2.4. Реакторные материалы |
25 |
кой температуры является существенным его недостатком.
Вядерных космических двигателях из графита изготовляют матрицы твэлов. В этих условиях графит может эксплуатиро ваться до температуры 2000° и выше.
Вкачестве ядерного горючего в большинстве случаев при меняют неметаллические соединения урана. Из чистого урана изготавливают, например, сердечники твэлов реакторов для про изводства плутония.
Вреакторах на быстрых нейтронах наряду с двуокисью ура на применяют сплавы урана. Недостатком урана и ряда его сплавов является низкая радиационная стойкость. Низкая кор розионная стойкость урана в воде при высокой температуре в
■Случае нарушения герметичности оболочки твэла ведет к раз дуванию блока, ухудшению теплосъема и в конечном счете к аварии.
В большинстве случаев ядерное горючее используют в виде соединений урана: интерметаллидов, окислов, карбидов, нитри дов и т. д. Соединения эти могут эксплуатироваться при высо кой температуре. Они, как правило, радиационностойки. К недо статкам некоторых из них, например двуокиси урана, следует отнести низкую теплопроводность.
Глава 3
ПРОЧНОСТЬ, СОВМЕСТИМОСТЬ И РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ
•РЕАКТОРНЫХ
МАТЕРИАЛОВ
§ 3. 1
Дефекты кристаллической структуры металлов
Кристаллические решетки металлов. Свойства реакторных материалов — жаропрочность, радиационная стойкость, совме стимость, коррозионная стойкость и др. — существенно зависят от их структуры, в частности, от наличия дефектов в кристалли ческой решетке. Большинство технически важных металлов кри сталлизуются в одну из следующих типичных металлических структур: гранецентрированную кубическую (г. ц. к.), объемно центрированную кубическую (о. ц. к.) и гексагональную плот ноупакованную (гекс. и. у.). В качестве международного обо значения типов кристаллических структур для перечисленных типов решеток приняты соответственно символы А\, А2, А2.
Рассмотрим размещение атомов в плотиоупакованной решет ке. Представим себе большое число твердых шаров, уложенных на плоской поверхности таким образом, чтобы система зани мала минимальный объем. Тогда в первом соприкасающемся с плоскостью слое наиболее плотная упаковка достигается, когда центры шаров занимают точки, соответствующие вершинам рав носторонних треугольников. При этом поверхность каждого шара соприкасается с поверхностями его ближайших соседей, находящихся в том же слое. Это расположение можно рас сматривать как состоящее из центрированных шестиугольников, каждый из которых образован семью шарами. Обозначим распо ложение центров атомов при таком расположении как поло жение А. Когда укладывается второй плотиоупакованный слой, шары нового слоя попадают в углубления между шарами пер вого, в положение В или С (рис. 3.1). Однако атомы могут за нимать лишь одно из этих положений. Уложим второй плотно упакованный слой таким образом, чтобы центры атомов зани мали положение В. Тогда центры атомов третьего плотноупакованнбго слоя могут занять положения А или С. Если трехмер ная плотноупакованная структура строится путем наложения слоев с размещением центров атомов в последовательности
АВСАВС..., то образуется гранецентрированная кубическая
решетка. Последовательность А В А В .. . дает гексагональную ре шетку. Разница в энергетическом отношении между этими двумя структурами весьма незначительна. В связи с этим последова-
\
§ 3.1. Дефекты кристаллической структуры |
27 |
тельность чередования слоев может легко нарушаться при пла стической деформации, а также в результате возникновения не регулярности во время роста кристаллов вследствие образования так называемых дефектов упаковки. При наличии дефектов упа ковки последовательность слоев в гранецентрированной решет ке может быть АВСАВАВС... Гранецентрированная плотноупакованная кубическая ре шетка имеет координацион ное число 12, т. е. каждый шар имеет шесть ближай ших соседей в своей плос кости и по три касающихся его шара, находящихся в слоях, лежащих непосредст венно выше и ниже рас сматриваемого. Расстояние между центрами ближай
ших |
атомов равно |
а/)/ 2. |
|
|
|
|||
В гранецентрироваиных ку |
|
|
|
|||||
бических |
кристаллах |
плот- |
|
|
|
|||
ноупакованными |
плоскостя- |
|
|
|
||||
ми |
являются |
плоскости |
Рис. |
3.1. Последовательность |
чередова |
|||
(111), |
|
а |
плотноупакован |
ния |
атомных слоев при плотной упа- |
|||
ными направлениями — ди- |
|
кивке, |
|
|||||
агонали |
граней |
[ПО]. |
с |
гранецентрированной |
кубиче |
|||
При |
легировании |
металлов |
ской решеткой элементами с меньшим атомным радиусом ато мы последних располагаются в пустотах (межузлиях) г. ц. к. решетки. Наибольшие пустоты находятся в центре куба и по середине его ребер. Каждая такая пустота окружена шестью атомами решетки, занимающими место в вершине правильного октаэдра. В связи с этим рассматриваемые пустоты называют октаэдрическими. В решетке аустенита октаэдрические пустоты занимают атомы углерода. Если предположить, что кубическая гранецентрнрованная решетка построена из жестких шаров ра диуса соприкасающихся друг с другом, то максимальный радиус сферы, которую можно поместить в октаэдрические пу стоты, будет 0,41 г.
Структура объемноцентрированного куба является менее плотноупакованной. Атомы в о. ц. к. решетке располагаются в вершинах и в центре элементарной кубической решетки. Каж дый атом имеет восемь ближайших соседей, располагающихся
на расстоянии аѴ 3/2 (0,866 а), где а — длина ребра куба элементарной ячейки, т. е. координационное число равно восьми. В структуре о. ц. к. более крупные пустоты занимают положение на гранях куба элементарной ячейки. Они окружены четырьмя
28 Г л . 3. Свойства реакторных материалов
атомами, располагающимися в вершинах тетраэдра, и называ ются тетраэдрическими. Более мелкие пустоты, окруженные ше стью атомами, располагаются посередине ребер и граней куба элементарной ячейки и называются октаэдрическими. В струк туре мартенсита атомы углерода внедряются в октаэдрические пустоты, расположенные только на ребрах, параллельных оси z, и в центрах граней, перпендикулярных к указанной оси, это
приводит |
к |
тетрагональному искажению переходной решетки |
a -железа. |
В |
кубической объемноцентрированной решетке нет |
плотноупакованных плоскостей, подобных плоскости (111) в гранецентрнрованной решетке. Наиболее плотноупакованнымн яв ляются плоскости (ПО).
В гексагональной плотноупакованной решетке каждый атом окружен шестью расположенными на равных расстояниях сосе дями, принадлежащими к этому же слою, и, кроме того, имеет по три ближайших соседа в слоях, расположенных выше и ниже данного слоя. Координационное число равно 12. В гексагональ ной решетке также имеются пустоты, аналогичные пустотам в г. ц. к. решетке.
Гранецентрированную кубическую решетку имеют Al, РЬ, Си, аустенит в хромоникелевой нержавеющей стали; объемноцентри рованную кубическую решетку — Nb, Mo, высокотемпературная модификация циркония и его сплавов, низкотемпературная мо дификация вольфрама, феррит в низколегированных, углероди стых и ферритных нержавеющих сталях, уран при температуре свыше 769° и ряд его сплавов; гексагональную решетку — Be, Mg, низкотемпературная модификация циркония, Ni.
Кристаллическая решетка металлов и сплавов всегда имеет те или иные дефекты, существенно влияющие на свойства ма териала. Способность материала противостоять механическим нагрузкам (в том числе и при высоких температурах), совме стимость, стойкость к коррозии под напряжением, радиационная стойкость могут быть рассмотрены на современном научном уровне лишь с учетом дефектов кристаллической решетки.
Точечные дефекты. Дефекты кристаллической решетки под разделяются на точечные и линейные. К точечным дефектам относятся вакансии и межузельные атомы. Вакансии обра зуются при удалении атома из узла кристаллической решетки.
Межузельный атом представляет |
собой внедрение |
дополни |
|||
тельного |
атома между |
основными |
атомами |
кристаллической |
|
решетки. |
Образование |
точечного |
дефекта |
ведет |
к искаже |
нию кристаллической решетки, нарушению ее периодического строения и в конечном счете к изменению структуры металла. Примесные атомы, находящиеся в узлах кристаллической ре шетки или в межузлиях, также искажают решетку и в этом смысле являются точечными дефектами.