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

266 Г л . 8. Материалы активной зоны.

лочных металлах водород, азот и кислород. При этом затруд­ няется формирование защитной окисной пленки, в результате чего в загрязненных этими газами жидкометаллических тепло­ носителях стойкость сплавов циркония низка.

В органических теплоносителях за счет пиролиза и под дей­ ствием радиации накапливается водород, который поглощается сплавами циркония. Примеси воды, хлоридов в органическом теплоносителе интенсифицируют наводороживаиие и коррозию сплавов циркония. Указанные обстоятельства обусловливают низкую стойкость сплавов циркония в органических теплоноси­ телях.

В настоящее время более 10 реакторов имеют твэлы с обо­ лочками из сплавов циркония. В СССР сплав Zr — 1% Nb

используют для оболочек твэлов водо-водяного реактора НовоВоронежской АЭС.

требования в отношении их коррозионной стойкости. Это осо­ бенно важно для контуров, в которых в качестве теплоносителя используют легкую воду или жидкие металлы. Вода даже высо­ кой чистоты является коррозионноагрессивной средой. В жид­ ких металлах при температуре выше 500° наблюдается перенос массы.

В первые годы строительства ядерных энергетических уста­ новок с водным и жидкометаллическим теплоносителями было мало данных о коррозионной стойкости различных материалов в воде высокой чистоты и в жидких металлах, так как обычная теплоэнергетика не ставила этих проблем. Поэтому было выбрано далеко не лучшее направление для атомной энергети­ ки: исследовались в основном материалы, обладающие самой высокой коррозионной стойкостью, освоенные в смежных отрас­ лях промышленности. Основным конструкционным материалом была выбрана аустенитная хромоникелевая нержавеющая сталь (советские марки Х18Н9 и Х18Н10Т и американские стали типа 304 и 347). Стали этого класса коррозионностойки в воде до температуры 360°, в газовом теплоносителе (например, в углекислоте до температуры 600°) и в водяном перегретом паре до температуры 650°. Наряду с высокой коррозионной стой­ костью сталь типа 18/8 имеет необходимые технологические характеристики.

Аустенитные нержавеющие стали успешно применяют в ка­ честве оболочек твэлов и других элементов активной зоны в реакторах на тепловых и быстрых нейтронах. Несмотря на бо­ лее высокие значения сечения поглощения тепловых нейтронов (2,7—2,9 бары по сравнению с 0,19 барн у циркония), что при­ водит к необходимости использования более обогащенного топлива, хромоникелевые нержавеющие стали имеют ряд важ­ ных преимуществ перед другими материалами. Они в несколько раз дешевле, чем цирконий, обладают высокой жаропрочностью и жаростойкостью, вплоть до 550—600°, имеют хорошую свари­ ваемость, технологичны. Оболочки из стали Х18Н10Т предпоч­ тительны для реакторов на быстрых нейтронах, так как в таких реакторах в основном в качестве теплоносителя используют жидкие металлы.

Состав некоторых хромоникелевых сталей приведен в табл. 8.12. Нержавеющие аустенитные стали обладают доста­ точно высокими механическими характеристиками вплоть до температуры 600—650° (табл. 8.13), поэтому их можно приме­ нять в реакторах с высоким давлением теплоносителя. Для повышения жаропрочности аустенитных нержавеющих сталей необходимо дополнительное легирование молибденом или воль­ фрамом.

При использовании аустенитных нержавеющих сталей для оболочек твэлов необходимо обращать внимание на совмести­ мость стали с ядерным топливом. Сталь Х18Н10Т хорошо совместима с ядерным горючим, особенно с двуокисью урана до температуры 750°. Это особенно важно при использовании жидкометаллических теплоносителей, так как даже при нару­ шении герметичности оболочки твэла двуокись урана не взаи­ модействует с жидким металлом (натрием). С металлическим ураном стали типа 18/8 вступают во взаимодействие в преде­ лах температур 500—700°, образуя урансодержащие интерме­ таллические соединения в слое от 0,03 до 0,5 мм.

Хорошо совместим со сталями 18/8 до температуры 600° монокарбид урана, при более высокой температуре он обычно взаимодействует со сталью и несовместим с водой и паром при высоких параметрах последнего. Стали типа 18/8 в воде высо­ кой чистоты и в паре достаточно коррозионностойки. Высокая коррозионная стойкость этих сталей обусловлена их способно­ стью пассивироваться.

Взависимости от состава сталей, их структуры, значения pH

ипримесей среды нержавеющие аустенитные стали могут под­ вергаться нескольким видам коррозии: общей (охватывающей всю поверхность равномерно), местной (точечные, язвенные поражения), межкристаллитной (поражения по границам зерен)

икоррозии под напряжением.

270 Г л . 8. Материалы активной зоны

Т а б л и ц а 8.13

Механические свойства стали Х18Н10Т при различных значениях температуры

Общая коррозия этих сталей в дистиллированной воде при комнатной температуре протекает с кислородной деполяриза­ цией. С ростом температуры возрастает скорость разряда ионов водорода и при температуре 300—360° в деаэрированной воде коррозия протекает с водородной деполяризацией. При наличии в воде кислорода эта сталь может корродировать с кислородной деполяризацией и при высокой температуре. Скорость коррозии стали 18/8 в насыщенном паре практически равна скорости кор­ розии ее в воде при той же температуре.

Скорость общей коррозии в воде в статических условиях при температуре 280—350° составляет 0,8—4 мкм/год, а в паро­ водяной смеси при наличии кислорода при температуре до 600° и давлении до 350 кГ/см2 она равна 5—10 мкм/год. В промыш­ ленных установках под действием радиации и при циркуляции воды и пара скорость коррозии несколько повышается, но до температуры 600° стали типа 18/8 достаточно коррозионно­ устойчивы.

Наличие в стали шлаковых включений, трещин, раковин, различных загрязнений и других неоднородностей может при­ вести к развитию местной коррозии (язвенной, точечной или отдельными пятнами). Этот вид коррозионных повреждений особенно опасен для тонкостенных оболочек твэлов, так как образование отверстия в оболочке открывает допуск теплоноси­ теля к ядерному горючему, что приводит К аварийному состоя­ нию реактора. Различные неоднородности металла приводят к образованию микрогальванических коррозионных пар, след­ ствием которых являются местная депассивация участков металла и растравливание их.

Развитию местной коррозии способствует также находя­ щийся в воде ион хлора. Присутствие в воде иона хлора вызы­ вает усиление процессов депассивации поверхности металла, о