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

более легкие по сравнению с оболочками, поскольку, как пра­ вило, они не имеют внешних нагрузок.

Вреакторах канального типа количество твэлов в ТВС зна­ чительно меньше, чем в реакторах корпусного типа (в реакто­ рах типа PHW-CANDU от 7 до 28 шт.).

1.2.ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ КАНАЛЫ

Впоследние годы циркониевые сплавы стали успешно при­ менять и для изготовления технологических каналов атомных реакторов [найример, тяжеловодные реакторы типа

PHW-CANDU (Канада), PRTR и N-реактор (США), SGHWR (Англия); легководный BLW-CANDU (Канада); уран-графи- товый реактор РБМ-К (СССР); реактор с органическим тепло­ носителем WR-1 (Канада)].

Условия работы материалов канальных труб существенно отличаются от условий работы оболочек твэлов и деталей ТВС. Технологический канал представляет собой трубу, внутри кото­ рой размещается тепловыделяющая сборка. Внутренняя поверх­ ность канала контактирует с потоком теплоносителя, а наружняя — с внутриреакторной средой.

рах кипящего типа (легководных) происходит частичное вски­ пание теплоносителя и на выходе канала внутренняя поверх­ ность контактирует с паро-водяной смесью. Внутриреакторная среда в реакторах типа CANDU представляет собой углекислый газ с примесью влаги, в реакторах PRTR и N — гелий.

Учитывая меньшую величину температуры стенки канала и большую, чем у оболочек твэлов, толщину, можно было бы ожи­ дать, что с точки зрения требований коррозионной стойкости условия работы канала менее жесткие, чем для оболочек твэ­ лов. Однако в требованиях коррозионной стойкости для мате­ риала технологических каналов есть свои особенности, связан­ ные, во-первых, с большой длительностью работы канала, а вовторых, с тем, что стенка канальной трубы фактически работает одновременно в двух средах (теплоносителе и внутриреактор­ ной среде).

Особое значение для материала канала приобретают и во­ просы наводороживания, поскольку наличие влаги во внутри­ реакторной среде приводит к возможности гидрирования стенки

13

каналов с двух сторон. В связи с этим материал для изготов­ ления технологических каналов должен обладать коррозион­ ной стойкостью не меньшей, чем материал оболочек твэлов. Температура стенки канала, как правило, близка к температуре теплоносителя. Перепад температуры на стенке канала невелик по сравнению с перепадом на оболочке твэлов, и температур­ ные напряжения в ней практически отсутствуют. Рабочие на­ пряжения в канальных трубах обусловлены, главным образом* действием давления теплоносителя.

Вместе с тем срок службы технологических каналов значи­ тельно превышает срок работы оболочек твэлов. Для твэлов он составляет от 1,5 до 6 лет [152], в то время как для каналов он должен составлять примерно 30 лет [128]. В связй с этим

Канал, по существу, представляет собой трубопровод высо­ кого давления, и при определении уровня рабочих напряжений пользуются критериями, аналогичными для такого типа конст­ рукций. Дополнительно должны быть учтены специфические особенности эксплуатации канала: воздействие облучения и по­ глощение водорода, вызывающие опасность радиационного и водородного охрупчивания. Как показал опыт эксплуатации каналов атомных реакторов, в процессе работы возможно по­ явление грубых царапин, образующихся в процессе загрузки и выгрузки ТВС, а также «надиров» (вмятин) в местах контакта с ТВС в результате ее вибрации.

Поскольку реактор работает в циклическом режиме, обра­ зование подобных дефектов требует оценки циклической проч­ ности материала технологических каналов, а также возможно­ сти хрупкого разрушения (определение критической длины до­ пустимых дефектов и скорости развития дефектов). При этом оценка должна учитывать воздействие облучения и наводороживания.

Наводороживание и степень его влияния на свойства ка­ нальных труб также имеют свои особенности. Так, например, отсутствие заметного градиента температуры по толщине стен­

высокого давления, необходима оценка допустимого наводороживания в связи с возможностью развития хрупкого разруше­ ния. Конструктивные различия оболочек твэлов и канальных труб определяют и различия в степени их наводороживания. В оболочках твэлов содержание водорода в зависимости от ус­ ловий работы после достижения требуемой степени выгора­ ния составляет 0,01—0,1%, а в канальных трубах, как пола­ гают, оно не должно превышать 0,03—-0,04% после работы в те­ чение 30 лет в реакторах с пароводяным теплоносителем [128]

14

й 0,025% после работы в течение 10—15 лef в реакторах с орга­ ническим теплоносителем [45].

Существенное значение для работы технологического кана­ ла приобретает сопротивление ползучести материала, из кото­ рого он выполнен. Допустимая скорость ползучести материала технологических каналов определяется исходя из величины воз­ можной остаточной деформации канала, главным образом в по­ перечном направлении. В тяжеловодных реакторах типа СAND U, а также в реакторе WR-1 она оценивается исходя из зазора между трубой технологического канала и трубой калан­ дра, в реакторе РБМ-К — из .зазора между трубой технологи­ ческого канала и графитовыми втулками. В условиях облуче­ ния ползучесть сплавов циркония значительно зависит от ин­ тенсивности потока.

Исходя из требований высоких коррозионной стойкости и прочности, в качестве материала технологических каналов в реакторах канального типа широкое применение нашел сплав циркалой-2 (реакторы PHW-CANDU, SGHWR, PRTR и др.).

В отличие от оболочек твэлов при изготовлении технологиче­ ских каналов циркалой-2 применяется в холоднодеформированном состоянии (на 15—35%), которое обеспечивает большее сопротивление ползучести под облучением.

В последние годы, наряду с циркалоем-2, начал использо­ ваться сплав Zr — 2,5% Nb (реакторы BLW-CANDU, РБМ-К, WR-1) [21, 81, 128]. Этот сплав при коррозионной стойкости, сопоставимой со стойкостью циркалоя-2, обладает более высо­ кой прочностью, и в частности сопротивлением ползучести. Кроме того, как было отмечено выше, сплав Zr — 2,5% Nb ха­ рактеризуется меньшей склонностью к поглощению водорода, чем сплавы типа циркалой.

Применение более высокопрочного сплава позволяет умень­ шить толщину стенки каналов при тех же параметрах работы, либо сохранить толщину стенки, но повысить параметры тепло­

(мощностью 500 Мет), дает экономию в капитальных затратах на 80 000 долларов. Для изготовления технологических каналов

Nb — 0,5% Си, а также Zr — 3% Nb — 1% Sn. По сравнению со сплавом Zr — 2,5% Nb первый из них обладает несколько боль­ шей коррозионной стойкостью во влажном углекислом газе, а

15

стоящее время ведутся интенсивные исследования их свойств в рабочих условиях.

В реакторах с водяным охлаждением температура теплоно­ сителя в каналах, изготовленных из сплавов циркония, не пре* вышает 300° С, в реакторах с органическим теплоносителем тем­ пература использования каналов из циркония значительно выше — до 460° С. Дальнейшее повышение параметров работы каналов из циркония сталкивается с необходимостью увеличе­ ния прочности и коррозионных свойств сплавов. Некоторые при­ меры использования сплавов циркония для изготовления тех­ нологических каналов атомных реакторов и характеристика ра­ бочих параметров приведены в табл. 1.2.

Применение сплавов циркония в качестве материала техно­ логических каналов и других конструктивных элементов атом­ ных реакторов привело к необходимости их соединения с не­ ржавеющими сталями, поскольку из сплавов циркония изготав­ ливают только участки, находящиеся в активной зоне, а для остальных участков используют нержавеющие стали.

Соединения сталь — цирконий технологических каналов ра­ ботают в более сложных условиях нагружения, чем остальные участки. Это связано с тем, что кроме напряжений, обусловлен­ ных действием давления теплоносителя, в соединении появ­ ляются значительные по величине и циклически изменяющиеся

«ст. типа 18-8= (17—18) -10 ®град ').

Наиболее распространенный в технике метод сварки плав­ лением не нашел здесь применения в связи с образованием в зоне сварки хрупких фаз (эвтектики и интерметаллидов), при­ водящих к растрескиванию соединения уже при охлаждении

ческий, диффузионная сварка, пайка, совместное прессование, развальцовка, сварка взрывом и др.

Наиболее работоспособными и перспективными соединения­ ми, как считают, являются соединения с образованием метал­ лической связи в зоне контакта сталь — цирконий, поскольку в этом случае увеличивается возможность более длительного со­ хранения вакуумной плотности соединения по сравнению с до­ стигаемой в соединениях чисто механического типа, например вальцованных. Таковыми являются соединения, полученные методами диффузионной сварки, сварки взрывом, совместным прессованием. К недостаткам соединений этого типа относят то, что они выполняются как отдельные детали, а не на канальных трубах, обусловливая тем самым необходимость их последую­ щей приварки к циркониевой трубе. В связи с этим соединения сталь — цирконий такого типа не нашли пока широкого приме­ нения, хотя в литературе имеются сообщения об успешных ис-

16

Т а б л и ц а 1.2

иНекоторые характеристики атомных реакторов с технологическими каналами из сплавов циркония