Файл: Ривкин, Е. Ю. Прочность сплавов циркония.pdf

ние сплавов циркония для работы в углекислом газе представ­ ляет интерес при температуре выше 400° С, так как при меньшей температуре достаточно успешно работают оболочки твэлов из сплавов магния.

Наиболее перспективными сплавами для реакторов, охлаж­ даемых углекислым газом при температуре 400—550° С, считают сплавы циркония с медью (до 2,5%) и с медью (0,5—1%) и мо­ либденом (0,5—1,5%). В частности, в реакторе EL-4 (Фран­ ция) предполагается использовать оболочки твэлов из сплава циркония с 2,5% меди, а в реакторах типа А-1 и А-2 (ЧССР) — из сплава с медью и молибденом [38]. На работоспособность сплавов циркония в углекислом газе в интересующем интерва­ ле температуры существенное влияние оказывает процесс ра­ створения в металле окисной пленки, образующейся в резуль­ тате окисления, и связанное с ним кислородное охрупчивание. Этот фактор и коррозионная стойкость ограничивают использо­ вание сплавов циркония в углекислом газе при более высоких параметрах.

Весьма ограничено применяются сплавы циркония для обо­ лочек твэлов в реакторах с органическими теплоносителями из-за опасности чрезмерного наводороживания и охрупчи­ вания в процессе службы. Однако исследования последних лет, проведенные в Канаде [45, 46], вселяют надежду на возмож­ ность расширения применения сплавов циркония в реакторах с органикой. Установлено, что наличие в теплоносителе из смёси полифенилов (Santowax или HY-40) небольшого количества воды (до 0,01 об. %) и ограничение содержания хлора (до 0,0002 об. %) обеспечивает допустимые скорости наводорожи­ вания, не нарушающие работу оболочек. В качестве материала оболочек твэлов реактора WR-1 (Канада) используется сплав Zr—2,5% Nb, при этом максимальная температура стенки обо­ лочки достигает 460° С. Срок работы таких твэлов пока не пре­ вышает 1,5 года. Применение в качестве материала оболочки сплава оженит-0,5, характеризующегося значительно меньшей скоростью поглощения водорода, позволит, как полагают, уве­ личить срок службы твэлов до 4 лет и поднять температуру до

480° С [45].

Наибольшее использование циркониевые сплавы получили в реакторах с пароводяным теплоносителем. Большинство энер­ гетических реакторов охлаждаются именно водой высокого дав­ ления (обычной и тяжелой), служащей одновременно и замед­ лителем.

В настоящее время наиболее широкое применение для обо­ лочек твэлов нашли сплавы типа циркалой (циркалой-2 и 4) за рубежом и сплав Zr—1% Nb в СССР. Об эксплуатации твэлов с оболочками из этих сплавов накоплен большой опыт и уста­ новлены многие особенности их поведения.

9

Одним из нежелательных явлений, сопутствующих работе сплавов циркония в паро-водяных средах, является их наводофоживание. Повышенное гидрирование послужило главной при­ чиной преждевременного выхода из строя оболочек твэлов из циркалоя-2 в реакторах «Саванна-Ривер» [51] и Шиппингпортской АЭС [111]. Опасность чрезмерного наводороживания и охрупчивания привела к необходимости усовершенствования состава сплава циркалой-2 и разработки сплава циркалой-4. Сплавы циркония с ниобием характеризуются меньшей склон­ ностью к поглощению водорода, чем сплавы типа циркалой, хотя и образуют более толстые окисные пленки [4]. Охрупчивающий эффект наводороживания зависит от технологии изго­ товления труб для оболочек и напряженного состояния в про­ цессе работы [117].

Для всех сплавов циркония была обнаружена заметная за-, висимость скорости коррозии от водного режима и облучения. Так, для сплавов типа циркалой характерна следующая зави­ симость коррозии от облучения: в реакторах с водой под дав­ лением и избыточным давлением водорода облучение не влияет на коррозию; если вода под давлением содержит кислород, то облучение ускоряет коррозию; в кипящих реакторах, где обяза­ тельно присутствует кислород или окислительные агенты как результат радиолиза, облучение ускоряет коррозию [56]. В ки­ пящем реакторе даже при подавлении радиолиза аммиаком теплоноситель вблизи поверхности твэлов остается окисляющим [116], и вследствие этого облучение увеличивает коррозию.

Для сплавов Zr— 1% Nb и оженит-0,5 в воде под давлением с избыточным давлением водорода облучение увеличивает ско­ рость коррозии, так же как и для сплавов типа циркалой. Аномальным поведением под облучением отличается сплав Zr—2,5% Nb, который чувствителен к содержанию кислорода

вводе вне облучения. В реакторах с водой под давлением облу­ чение не влияет на коррозию этого сплава. В кипящих реактооах также заметного влияния облучения на коррозию не на­ блюдается. Более того, обнаружено, что в условиях облучения

вокислительной среде скорость коррозии сплава Zr—2,5% Nb

ниже, чем без облучения [46]. Такой характер влияния облуче­ ния на коррозию этого сплава может быть отчасти связан с заметной зависимостью его коррозионного поведения от струк­ турного состояния.

Предельно допустимой скоростью коррозии сплавов цирко­ ния считается скорость, не приводящая к образованию рыхлых осыпающихся окисных пленок на поверхности. Для сплавов типа циркалой она может быть оценена исходя из образования за все время работы толщины окисной пленки, соответствую­ щей привесу ~500 мг/дм2 [108]. Условия облучения влияют и на количество поглощаемого водорода. Однако четкой зави­ симости степени наводороживания от условий облучения нет.

10

Кроме облучения на степень наводороживания сплавов циркония оказывают влияние наличие теплового потока и уро­ вень напряжений при работе. Наличие теплового потока, а также приложение напряжений растяжения увеличивают сте­ пень наводороживания [2]. Характерной особенностью гидриро­ вания сплавов циркония является перераспределение водорода при наличии градиента температуры, обусловливающее скопле­ ние водорода в более холодных участках. Для оболочек твэлов в результате перераспределения водорода возможно образова­ ние гидридного слоя под окисной пленкой на более холодной по­ верхности [118].

Циркалой и сплав Zr—1% Nb используют в настоящее вре­ мя для оболочек твэлов, работающих в воде и паро-водяных смесях с температурой 250—300°С. Для более высокой темпе­

вой оболочкой является стержневой твэл. В стержневом твэле оболочка представляет собой трубку диаметром 6—26 мм и тол­ щиной стенки 0,3—0,9 мм (см. табл. 1.1). Как правило, твэлы помещают в реактор в виде предварительно собранной груп­

строго фиксированном положении используют дистанционирующие и концевые детали, которые обычно изготавливают из того же материала, что и оболочки.

В ТВС первой загрузки с твэлами стержневого типа реак­ тора NPD для дистанционирования к поверхности оболочек приваривали проволоку из циркония (по спирали). Однако вследствие появления сморщивания оболочки в последующих загрузках в качестве дистанционирующих деталей были приме­ нены трапециевидные пластины, припаеваемые к наружной поверхности оболочки. Такой же тип дистанционирования при­ меняется в ТВС реакторов Pickering и Gentilly [136]. Посколь­ ку дистанционирующие детали этого типа имели металлическую связь с оболочкой и при работе температура их была на ~30°С ниже, чем на поверхности оболочки, то благодаря диф­ фузии водорода к более холодным участкам, они служили од­

Например, в реакторах корпусного типа оно может достигать нескольких десятков (в реакторе ВВЭР-1 91 шт., ВВЭР-2 127 шт., на Шиппингпортской АЭС 120 шт.). В реакторах этого типа каждая ТВС помещается в чехол, выполняемый, так же

11

Некоторые характеристики атомных реакторов с оболочками тзэлоз из сплавов циркония