Стартовая >> Архив >> Генерация >> Материалы ядерных энергетических установок

Сплавы урана - Материалы ядерных энергетических установок

Оглавление
Материалы ядерных энергетических установок
Ядерная энергия и материалы
Легководный реактор LWR
Тяжеловодный реактор HWR
Реактор типа LMFBR
Перспективы использования термоядерной энергии
Радионуклидное производство энергии и ее использование
Требования, предъявляемые к выбору ядерных материалов
Свойства реакторных материалов
Анализ специфических свойств материалов при их выборе для ядерных реакторов
Выбор материалов и анализ конструкции с помощью ЭВМ
Компоненты и материалы ядерных реакторов деления
Ядерные топливные материалы
Конструкционные материалы
Материалы органов регулирования, теплоносители
Материалы защиты, системы аварийной защиты
Атомная электростанция (с реактором деления)
Фундаментальные радиационные явления в материалах
Радиационное повреждение нейтронами
Влияние облучения на реакторные материалы
Влияние облучения на физические свойства материалов
Влияние облучения на механические свойства материалов
Влияние облучения на коррозию, свелинг
Отжиг радиационных повреждений, влияние облучения на свойства при низких температурах
Металлический уран
Коррозия урана
Сплавы урана
Влияние облучения на урановое топливо
Керамический уран
Диоксид урана
Радиационное распухание оксидного топлива
Радиационная ползучесть оксидного топлива
Выделение газообразных продуктов деления из оксидного топлива
Монокарбид урана
Нитрид, силицид и сульфиды урана
Коррозия керамического урана, техника безопасности
Плутоний
Металлические сплавы плутония
Керамические соединения плутония
Смешанное керамическое уран-плутониевое топливо
Коэффициент воспроизводства, избыточный коэффициент и время удвоения плутония
Радиационные эффекты плутония
Коррозионные эффекты плутония
Меры безопасности при работе с плутонием
Торий
Свойства тория
Получение и сплавы тория
Керамические соединения тория
Радиационные и коррозионные эффекты тория
Радиоактивный распад в торий-урановом топливном цикле
Конструкционные материалы: металлы
Конструкционные материалы: бериллий и его соединения
Конструкционные материалы: магний
Конструкционные материалы: алюминий
Конструкционные материалы: цирконий
Конструкционные материалы: нержавеющая сталь и никелевые сплавы
Конструкционные материалы: керамика и керметы
Влияние облучения на конструкционные материалы
Коррозия конструкционных материалов
Материалы замедлителя и отражателя
Графит
Материал бланкета
Материал теплоносителя
Материалы систем регулирования, защиты и аварийной защиты
Защита реактора
Системы аварийной зашиты реактора и используемые в них материалы
Материалы в топливных циклах, процессах обогащения и переработки топлива
Обогащение топлива
Переработка топлива
Материалы, используемые в процессах переработки отработавшего топлива
Переработка ядерного топлива
Топливные материалы, участвующие в U-Pu-топливном цикле
Тепловыделяющие элементы
Связующий материал твэлов
Материалы, применяемые при изготовлении твэлов
Каналы для теплоносителя и системы трубопроводов
Корпуса реакторов под давлением
Радиационные эффекты при работе материалов ядерного топлива и конструкционных материалов
Коррозия и трещины материалов твэлов, коррозия каналов теплоносителя
Образование коррозионных и усталостных трещин и течей в каналах для теплоносителей, трубопроводах
Материалы радионуклидных генераторов энергии и термоядерных реакторов
Радионуклидное топливо
Материалы оболочек, материалы и теплоносители радионуклидных генераторов
Концептуальные проекты термоядерных реакторов
Компоненты и материалы термоядерных реакторов
Материалы для изготовления магнитной системы и системы безопасности термоядерных реакторов
Взаимодействие материалов с первой стенкой термоядерного реактора
Материалы первой стенки термоядерного реактора и влияние на них облучения

Существуют три основных класса урановых сплавов: интерметаллические соединения UAl2 и UAl3, сплавы со сравнительно небольшими добавками элементов, предназначенных для модификации кинетики распада бета- или гамма-фазы и получения беспорядочно ориентированной мелкозернистой структуры, и сплавы, в которых концентрации легирующих добавок достаточны для стабилизации объемноцентрированной кубической гамма-фазы. Во всех случаях выбор элементов для легирования U ограничен соображениями экономии нейтронов в ядерном реакторе. Другими словами, исключаются элементы с относительно большим сечением поглощения нейтронов.
В качестве легирующих элементов для образования урановых сплавов трех основных классов рассматривались Al, Be, Ti, Zr, V, Nb, Та, Cr, Мо и т.д. [24, 25]. Однако до настоящего времени наиболее широкое использование и наибольшую разработку получили сплавы U-Al, U—Mg и U—Мо. Эти сплавы можно рассматривать также в качестве основных бинарных или тройных систем уранового топлива.
Основные преимущества металлического топлива заключаются в высокой плотности атомов делящегося и воспроизводящего материалов; в хорошей экономии нейтронов; в большой теплопроводности и в хорошей обрабатываемости. Эти характеристики были продемонстрированы при изготовлении и эксплуатации топлива для реактора EBR-II.

Таблица 6.4. Основные свойства интерметаллических фаз в системе U—Al

6.6.1.      Уран-алюминиевые сплавы. Алюминий использовался в качестве материала оболочек для урановых топливных пластин или прутков при изготовлении твэлов для учебных и исследовательских тепловых реакторов. Контролирующими факторами при использовании этого оболочечного материала являются его физические свойства и химическое взаимодействие между U и Al при высоких температурах. При использовании в учебных и исследовательских реакторах при сравнительно низких температурах сплавы U—Al имеют значительно лучшие по сравнению с металлическим U радиационную стабильность, механическую прочность и коррозионную стойкость.
При высоких температурах сплавы U—Al образуют интерметаллические соединения. Свойства промежуточных фаз, образующихся в системе уран—алюминий, приведены в табл. 6.4.
На рис. 6.8 представлена диаграмма состояния сплавов уран—алюминий, которая дает представление об условиях образования этих интерметаллических соединений и соотношениях между составом и температурой [26].

  1. Уран-магниевые сплавы. Магниевые сплавы Mg-Al-Be (магнокс), Mg—Zrn т.д. использовались в качестве материалов оболочек уранового топлива при разработке и эксплуатации газоохлаждаемых реакторов в Великобритании и Франции (по типу реактора Calder Hall). Хотя магний не так прочен и не так стоек к коррозии в парах воды, как алюминий, он превосходит алюминий в отношении экономии нейтронов, так как его сечение поглощения тепловых нейтронов составляет менее 1/3 сечения алюминия (0,241/0,69 = 0,30).

Магний используют как материал для оболочек твэлов газоохлаждаемых реакторов. К материалам оболочек твэлов предъявляются следующие основные требования: 1) достаточная механическая прочность и пластичность; 2) совместимость с материалом топлива и теплоносителя; 3) низкое сечение поглощения нейтронов; 4) низкая наведенная радиоактивность и высокая радиационная стабильность и 5) высокая коррозионная стойкость (см. гл. 3). Алюминий и магний отвечают этим требованиям. В процессе изготовления твэла оболочка гидравлически напрессовывается на топливный урановый стержень, который обычно закаливается из бета-фазы и отжигается в а-области при температуре 500 °С. Во время такого технологического процесса в твэле может происходить металлургическое сцепление между ураном и магнием.


Рис. 6.8. Диаграмма состояния сплавов уран—алюминий
Рис. 6.9. Диаграмма состояния сплавов уран—магний

На рис. 6.9 приведена равновесная диаграмма состояния системы U—Mg [26]. Во вставке в увеличенном масштабе показана часть диаграммы газоохлаждаемых реакторов.
Физические и механические свойства оболочечных материалов систем Mg-Al, Mg—Al-Ве (например, сплавов магнокс А-12 или магнокс А-18) и Mg-Zr можно найти в оригинальных работах [27-30].

  1. Уран-молибденовые сплавы. Уран-молибденовые сплавы были выбраны в качестве материалов металлического топлива для быстрых реакторов-размножителей с жидкометаллическим теплоносителем (реакторы LMFBR). К таким реакторам относятся, например, экспериментальные реакторы-размножители EBR-I и II и энергетический быстрый реактор Энрико Ферми. В металлическом топливе этих реакторов на быстрых нейтронах молибден является основным легирующим элементом, способствующим сохранению гамма-фазы урана во всей области рабочих температур. Молибден может не только модифицировать кинетику фазовых превращений для получения беспорядочно ориентированной мелкозернистой структуры, но стабилизировать гамма-фазный уран во избежание размерной нестабильности.

На рис. 6.10 приведена диаграмма состояния сплавов U-Mg, а на рис. 6.11 —  данные, свидетельствующие о влиянии добавок молибдена на размерную стабильность урана, т.е. данные по удлинению в результате термического циклировании образцов сплавов U—Mg, закаленных из гамма-фазы и имеющих структуру метастабильной гамма-фазы [31].

Рис.  6.11. Влияние добавок Мо на размерную стабильность (сплавы закаливались из гамма-фазы). Около кривых указано массовое содержание Мо, %



Рис. 6.10. Диаграмма состояния сплавов уран-молибден

Добавки молибдена в количестве примерно до 3% по массе могут стабилизировать размерную неустойчивость, которая является характеристикой а-урана и обусловлена его анизотропией, как это уже обсуждалось. Большего улучшения можно достичь закалкой в воду из гамма-фазы, чем закалкой в воду из бета-фазы. В качестве ядерного топлива для реакторов LMFBR обычно используются уран-молибденовые сплавы, содержащие от 3 до 10% по массе молибдена. При закалке в воду в этих сплавах сохраняется метастабильная гамма-фаза.

  1. Сплавы урана с фиссиумом. Некоторые легирующие элементы, такие как Мо, Nb, Zr, Rh, Ru и т.д., были предложены и испытаны [24, 25] для получения тройных и многокомпонентных систем сплавов. В качестве топлива быстрых реакторов-размножителей с жидкометаллическим теплоносителем (например, реактора EBR-II) в настоящее время используются сплавы U с фисснумом, которые могут обеспечивать повышенную радиационную стойкость твэлов [32—34].

В процессе пирометаллург ической (или пиро химической) переработки топлива реактора EBR-II из топливного цикла удаляется только часть продуктов деления. Те элементы продуктов деления, которые остаются в топливном цикле, все вместе получили название фиссиум Fs. Типичный состав фиссиума, который может установиться после многих циклов переработки топлива на основе 235U, приведен в табл. 6.5 [34]. Микроструктуры и температуры превращения в сплавах U—Fs изучались с помощью образцов, синтезированных из стабильных изотопов с добавками молибдена и рутения вместо технеция [31]. Исследования показали, что сплавы урана с фиссиумом обладают повышенной радиационной стойкостью и лучшей теплопроводностью. Из рис. 6.12 видно, что теплопроводность сплава урана с 5% по массе фиссиума быстрее увеличивается с ростом температуры, чем теплопроводность чистого урана или сплава U—Pu—Fs.

Таблица 6.S. Равновесное содержание элементов продуктов деления (фиссиума) после многих циклов переработки топлива на основе 2 5 U

Рис. 6.12. Теплопроводность сплавов U с Fs:
1 — чистый уран; 2 — сплав U — 5% Fs по массе; 3 —  сплав U - 15% Pu - 10% Fs по массе
Недавно было найдено, что неметаллический продукт деления Si, присутствующий в переработанном топливе реактора EBR-II концентрации (1—2) -1СГ2 % по массе, оказывает положительное влияние на характеристики топлива. Он может улучшать радиационную стабильность топлива и, в частности, уменьшать радиационное распухание топлива при высоком выгорании [35].



 
« Магнитный фильтр-сепаратор в схеме очистки производственного конденсата   Метод определения параметров тепловой изоляции паротурбинных блоков ТЭС »
электрические сети