Термоядерный синтез Физические основы ядерного синтеза Токамак Реакторная технология Перспективы термоядерной энергетики Атомные реакторы на быстрых нейтронах Корпус ядерного реактора

Атомные реакторы Реакторная технология


Эксплуатационная стойкость конструкционного материала в условиях теплосмен, в магнитном и электрическом полях, в поле радиационного воздействия существенно зависит от сочетания физических свойств.

Физико-химические свойства конструкционных материалов - это совокупность свойств, характеризующих степень химического взаимодействия материалов с окружающей технической средой ЯЭУ, т.е. с теплоносителями (водой, газами, жидкими металлами, солями металлов и др.), с контактирующими материалами (ядерным топливом и др.).

Материалы конструктивных элементов ЯЭУ Тепловыделяющие элементы. Конструкционные материалы ТВЭЛов реакторов на тепловых нейтронах должны обеспечить: минимальное искажение нейтронного поля; простоту конструкции и низкую стоимость оболочки; надёжную работу в течение всего периода расчётной компании; запланированное выгорание топлива без искажения размеров, формы и разрушения (разгерметизации оболочки); возможность переработки ядерного топлива.

Материалы оболочки ТВЭЛов ядерных реакторов должны обладать термической и радиационной стабильностью, конструктивной прочностью и коррозионной стойкостью.

Совершенствование конструкционных материалов ЯЭУ

Конструкционные материалы современных ЯЭУ представляют собой сложные, многокомпонентные сплавы различных элементов. Эти сплавы содержат один или несколько элементов, определяющих основные свойства материала, составляющих его основу, и ряд лигирующих элементов, придающих основе недостающие эксплуатационные характеристики

В основе формирования определённого структурно-фазового состояния материала лежит взаимодействие химических элементов (компонентов), составляющих данный материал, между собой.

Коррозионная стойкость материала Коррозией называют поверхностное разрушение металлов в результате воздействия окружающей среды, в основе которого лежат химические и физико-химические (электрохимические) процессы.

Химическую и электрохимическую коррозию конструкционных материалов в зависимости от среды называют: газовой, в электролитах, в неэлектролитах, атмосферной, контактной и т. д.

Коррозия в жидких средах Стабильность материала в условиях облучении

Стадия накопления радиационных дефектов по мере увеличения флюенса представляется более управляемой, чем стадия их образования.

Аннигиляция дефектов за счёт взаимной рекомбинации и ухода на стоки усиливается по мере увеличения температуры облучаемого материала

С ростом энергии нейтрона эффект радиационного упрочнения увеличивается, а с увеличением температуры обучаемого материала выше 0,25Тпл снижается и при Т>0,6Тпл практически отсутствуют.

Высокотемпературному радиационному охрупчиванию подвержены тугоплавкие металлы, коррозионно-стойкие стали и никелевые сплавы при температурах выше 0,45Тпл.

Инкубационный уровень флюенса у чистых металлов (для Ni - это Ф=4*10) м меньше, чем у сплавов (для стали 1026 м-2); зависимость распухания от температуры имеет сложный характер с максимумом при (0,4 - 0,45)Тпл, причём распухание установлено в широком интервале температур от 0,25 до 0,55Тпл

Примеси внедрения при оптимальной концентрации способствуют ускорению рекомбинации вакансий и примесных атомов, отравляют поры как стоки вакансий, дислокационные петли и дислокации, тормозя перемещение последних

Под явлением радиационного роста понимается анизотропное изменение размеров кристаллов в условиях облучения без приложения внешней нагрузки.

Тепловыделяющие элементы

Рассмотрим условия работы ТВЭЛа - наиболее напряжённого узла реактора. Оболочка ТВЭЛа (Рис.4) подвержена многообразному силовому воздействию, включающему вибрационные нагрузки, установочные усилия, внутреннее давление газообразных продуктов деления, радиальное давление топлива на оболочку, силу веса топливного сердечника, давление распухающего топлива, давление, вызванное распуханием оболочки, термические напряжения в оболочке, усилие от трения топлива в оболочке, внешнее давление теплоносителя. Кроме того, в работающем ТВЭЛе может происходить химическое взаимодействие оболочки с топливом, с продуктами его деления (кислород, йод, цезий, теллур и др.), с теплоносителем. Реальными являются эрозионный и кавитационный износы оболочки, приводящие к её утонению. Важным является не только химическое, но и механическое взаимодействие «топливо-оболочка». Трещины в топливе и разрывы между таблетками являются местами локальных напряжений в оболочке.

В реакторах на быстрых нейтронах оболочка ТВЭЛа за компанию облучится нейтронами до флюенсов порядка 1027 нейтр/м2 Воздействие таких флюенсов вызывает накопление радиационных дефектов и может привести к вакансионному распуханию материала и, в случае неоднородности распухания, к появлению дополнительных напряжений в оболочке. Воздействие высоких флюенсов быстрых нейтронов приводит к радиационно-стимулированному изменению структуры, а также элементного и фазового состава конструкционного материала и, как следствие этого, значительному изменению механических свойств: радиационному упрочнению, охрупчиванию, радиационной ползучести. Химическое взаимодействие жидкометаллического
теплоносителя с оболочкой ТВЭЛа вызывает селективное растворение компонентов конструкционного материала, утонение оболочки и перенос массы по контуру теплоносителя. Прогнозирование ремонтов требует систематического сбора информации об отказах оборудования, повреждаемости и износа его узлов.

Рис.4. Схема стержневого ТВЭЛа (1- оболочка, 2 - стержневой столбик ТВЭЛа, 3 - газосборник) и действующие силы в рабочем ТВЭЛе: py - установочные; рг - давления газа; р - веса (массы топлива); рро - распухания оболочки; ррт - распухания топлива; ртм - термические; ртр - трения; рт - теплоносителя

В реакторах на тепловых нейтронах с водяным теплоносителем возможно гидрирование и, следовательно, резкое охрупчивание и разгерметизация оболочки ТВЭЛа. Разгерметизация может наступить на различных стадиях эксплуатации ТВЭЛа, так как она в значительной степени зависит от качества изготовления ТВЭЛа, качества сварных швов. Одна из причин разгерметизации ТВЭЛа связана с накоплением влаги внутри оболочки и локальным гидрированием оболочки. Это объясняется тем, что топливный сердечник из обогащённого урана может содержать некоторое количество технологического фтора. Фтор нарушает защитную оксидную плёнку на внутренней стороне оболочки, что способствует ускоренному проникновению свободного водорода и разрушению оболочки по механизму локального гидрирования.

Высокие выгорания топлива могут стимулировать радиационный рост и прогиб оболочки. Например, для циркониевых труб характерно наличие текстуры, т.е. зерна в стенке трубы имеют предпочтительную ориентацию, что приводит к эффекту радиационного роста ТВЭЛов, чехлов ТВС и канальных труб реакторов. Скорость радиационного роста зависит от температуры и нейтронного потока, и поэтому температурные неравномерности и градиенты нейтронных полей в активной зоне будут приводить к неодинаковым изменениям размеров ТВЭЛов и к их прогибам. Причиной прогиба ТВЭЛа могут быть и неравномерные остаточные напряжения в оболочке.

Вибрации ТВЭЛов и ТВС, вызванные потоком теплоносителя, могут быть причиной фреттинг-коррозии и повышенного износа в местах контакта ТВЭЛов с ячейками дистанционирующих решёток. Особенно подвержены фреттинг-коррозии оболочки ТВЭЛов и бесчехловых ТВС реакторов типа РБМК и ВВЭР-1000. В местах разрыва топливного столба ТВЭЛа, например, вследствие доспекания топлива (сокращения объёма) оболочка ТВЭЛа может потерять устойчивость из-за накопления деформации ползучести под воздействием напряжений от давления теплоносителя. Наличие мест разрывов топливного столба, кроме того, может повлиять на эксплуатационные характеристики из-за локального всплеска энерговыделения. Накопление в ТВЭЛах короткоживущих нуклидов с большим сечением захвата нейтронов

Рис.3. ТВЭЛы, собранные в тепловыделяющие сборки, ТВС

(например, в Хе сечение захвата 3,5*10" м ) вызывает так называемое отравление активной зоны реактора («йодная яма»). Особенно быстро накапливается ксенон в процессе кратковременной остановки реактора. Запуск «отравленного» реактора - непростая задача, требующая избытка реактивности. Накопление в ТВЭЛах стабильных нуклидов с большим сечением захвата нейтронов (например, в 149Sm сечение захвата5,4*10-24 м2) вызывает
зашлаковывание активной зоны и соответствующее падение реактивности. Режим работы реактора должен в наибольшей степени уменьшать зашлаковывание.


На главную