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

Свойства тория - 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

Основные свойства тория как топлива ядерных реакторов похожи на аналогичные характеристики урана и плутония. Металлический торий имеет FCC-кристаллическую структуру при комнатной температуре и ВСС-кристаллическую структуру при температуре 1450 °С. Его фазовые модификации относительно стабильны. Торий имеет более высокую теплопроводность и более низкий коэффициент термического расширения. Оба эти фактора приводят к меньшим термическим и механическим напряжениям и деформациям ториевого топлива в работающем реакторе. Свежий металлический торий имеет серебристо-белый цвет, но после пребывания на воздухе становится темно-серым. Торий имеет плотность свинца и твердость меди. Плотность тория значительно меньше плотности урана и плутония.
9.3.1. Ядерные, физические и теплофизические свойства. Торий как структурный и воспроизводящий материал ядерного реактора имеет умеренные значения сечений поглощения и рассеяния тепловых нейтронов. Существует значительный разброс данных о температуре плавления металлического тория из-за сильной чувствительности этой характеристики тория к виду и количеству примесей, зависящих от условий его изготовления и нагревающей среды [7, 8]. Торий имеет тенденцию взаимодействовать с O2 и N2 в воздухе, образуя стойкое защитное покрытие, которое сохраняет образец в первоначальной твердой форме после его внутреннего плавления. Экспериментальное наблюдение (например, изучение влияния материала тиглей на точку плавления) показывает, что точка плавления металлического тория меняется в интервале от 1653 до 1782 °С при использовании бериллиевых (ВеО) тиглей и от 1569 до 1653 °С при ториевых ThO2.

Таблица 9.1. Ядерные, физические и теплофизические свойства тория
свойства тория

Таблица 9.2. Удельная теплоемкость, теплопроводность, тепловая диффузия и коэффициент термического расширения тория [9-11]
Удельная теплоемкость, теплопроводность, тепловая диффузия и коэффициент термического расширения тория
Ядерные, физические и теплофизические свойства тория как материала для ядерных реакторов представлены в табл. 9.1. В табл. 9.2 приведена большая часть экспериментальных данных об удельной теплоемкости, теплопроводности, термической диффузии, коэффициенте термического расширения тория.

  1. Механические свойства. Наличие примесей неизбежно при получении металлического тория. Высокочистый металлический торий можно получить в иодидном процессе де Бура. Для сравнения в табл. 9.3 приведено среднее содержание примесей в металлическом тории, полученном иодидным методом, восстановлением в бомбе и порошковым методом. Примеси могут оказывать влияние на механические свойства тория. Наибольшее влияние на свойства тория оказывает углерод.

Таблица 9.3. Среднее массовое содержание примесей в ториевых образцах, полученных в различных процессах, 10~4 %

Таблица 9.4. Влиянье примесей на механические свойства отожженного ионного тория

Массовое   содержание примесей, %  

Предел текучести (при остаточной деформации 0,2%), МПа

Предел прочности, МПа

Пластичность

Твердость
(число
Виккерса)

Удлинение, %

Уменьшение площади поперечного сечения, %

С

0,09

171

240

51

48

102

 

0,13

233

311

44

38

128

 

0,24

243

274

31

25

160

 

0,30

272

412

18

21

186

О2

0,08

69

120

44

55

45

 

0,45

89

144

41

46

54

 

0,16

110

201

33

54

66

 

0,18

122

206

32,3

53

68

 

0,41

127

226

32

48

74

В

0,18

115

166

28

70

64

 

0,24

106

157

33

72

62

Be

0,025

101

165

34

72

52

 

0,065

96

157

28

68

48

Избыточное содержание углерода может вызвать хрупкость. В табл. 9.4 показано влияние примесей С, О, N, В и Be на механические свойства отожженных нодидных ториевых образцов. На рис. 9.1 показано влияние примесей С, О и N на предел прочности иодидного тория, а на рис. 9.2 представлена информация о влиянии С, О и N на пластичность иодидного тория. Эти рисунки находятся в хорошем согласии с данными табл. 9.4. На рис. 9.3 показано влияние примесей и температуры на прочность тетрафторидного тория (с 0,03% С, 0,014% N2, 0,013% Be. 0,085% Fe, 0,05% Si и 0,05% Ca), иодидного тория с содержанием С 0,16 и 0,21% соответственно [12]. У иодидного тория прочность уменьшается постепенно (без резких переходов) с изменением температуры в диапазоне 200— 240 °С из-за его высокой чистоты. В противоположность последнему у тетрафторидного тория обнаружен переход от хрупкости к пластичности в диапазоне температур от 0 до 100 °С. р и с. 9.1. Влияние содержания примесей на предел прочности иодидного тория (экспериментальный образец был подвергнут отжигу при Т = 870 °С в течение 2 ч)

Рис. 9.3. Влияние массового содержания примесей и температуры на ударную вязкость тория:
• - Th, полученный тетрафторидным восстановлением (0,03% С, 0,014% N, 0,013% Be, 0,085% Fe; 0,005% Si, 0,05% Са); О - Th, полученный иодидным методом; А - Th, полученный иодидным методом (+0,16% С); А - Th, полученный иодндным методом (+0,21% С)

Рис. 9.2. Влияние содержания примесей на уменьшение площади поперечного сечения иодидного тория (образец был выдержан при T= 870 °С в течение 2 ч)
Рис. 9.4. Влияние уменьшения площади поперечного сечения на прочность тетра-фторидного и иодидного тория:
1 —  Th, полученный тетрафторидным восстановлением; 2 —  Th, полученный иодидным методом

Резкий хрупковязкий переход наблюдается у иодидного тория при добавлении углерода, при этом более резкое изменение прочностных свойств тория соответствует большему содержанию углерода. На рис. 9.4 для сравнения показано влияние прочности на пластичность тетрафторида тория (менее чистый металл) и иодидного тория (более чистый металл). На рис. 9.5 представлена типичная диаграмма растяжения тория (полученного восстановлением в бомбе) при температурах 25, 205 и 605 °С. Влияние температуры на предел прочности (при остаточной деформации 0,2%) и модуль упругости тория показано на рис. 9.6. Предел текучести, предел прочности и модуль упругости монотонно уменьшаются с ростом температуры.

Рис. 9.5. Типичная диаграмма растяжения тория при различных температурах

Рис. 9.6. Влияние температуры на предел текучести, предел прочности и модуль упругости литого тория:
О- модуль упругости; А - предел прочности; • — предел текучести

Рис. 9.7. Кривая ползучести Th, полученного тетрафторидным восстановлением при 315 °С:
1 —  0,00072 %/ч, 120,0 МПа за 1600 ч (до 16% за 3475 ч); 2 —  0,00043%/ч при 105,0 МПа; 3 —  0,00015 %/ч при 84,0 МПа; 4 —  0,00006%/ч при 70,0 МПа
Рис. 9.8. Зависимость напряжения ползучести Th от минимальной скорости ползучести  при различных температурах

Кривая ползучести тетрафторидного тория при постоянной температуре и зависимость напряжения ползучести от минимальной скорости ползучести при различных температурах (94, 205, 300 и 315 °С) для отожженного тория приведены на рис. 9.7 и 9.8 соответственно. Информация, представленная на рис. 9.1—9.8, отражает типичные механические свойства металлического горня, полученного различными технологическими процессами и испытанного при постоянных или изменяющихся температурах.



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