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

Конструкционные материалы: алюминий - 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

АЛЮМИНИЙ, ЕГО СПЛАВЫ И СОЕДИНЕНИЯ

В ходе проектирования и разработки материаловедческого реактора MTR в качестве оболочечного и конструкционного материала топливных элементов пластинчатого типа был выбран Ai, применявшийся в исследовательских реакторах до 1950 г. 31 марта 1952 г. реактор MTR, для которого была разработана простая по принципу устройства, недорогая, надежная и безопасная в работе топливная сборка для работы в интенсивном потоке нейтронов, был успешно запущен и выведен на проектную тепловую мощность 40 МВт. Эта дата стала вехой в развитии исследовательских ядерных реакторов, MTR не только ясно продемонстрировал возможность сооружения высокопоточного исследовательского реактора и испытания материалов в нем, но также подтвердил правильность принципа, положенного в основу конструирования и производства уран-алюминиевых топливных элементов пластинчатого типа. Такие элементы (плоские или искривленные) были затем применены в серии учебных и исследовательских реакторов типа ’’Аргонавт”, CP-5 (Chicago Pile-5), ETR (Engineering Test Reactor), ATR(Advanced Test Reactor), ALRR(Ames Laboratory Research Reactor), HFiR (High Flux Isotope Reactor) идр.
Основное требование, предъявляемое к исследовательскому реактору, — обеспечение надежной и безопасной работы топливных элементов в интенсивном потоке нейтронов на постоянном уровне мощности.
Ниже перечислены преимущества и недостатки алюминия как реакторного конструкционного материала.

Недостатки

1 Низкая температура плавления
2. Низкая механическая прочность при повышенных температурах

Преимущества

  • Сравнительно малое поглощение тепловых нейтронов
  • Высокая теплопроводность
  • Высокая стабильность под облучением
  • Хорошая коррозионная стойкость в воде и воздухе
  • Обрабатываемость и свариваемость
  • Низкая стоимость и доступность

Именно преимущества, а не недостатки алюминия явились причиной выбора его в качестве конструкционного материала топливных элементов учебных и исследовательских реакторов, поскольку основная задача таких реакторов — обеспечение высоких значений потоков нейтронов, а не выработка энергии. Поэтому предпочтительнее, когда учебные и исследовательские реакторы работают при низких температурах, что должно обеспечивать большую стабильность, надежность и безопасность их работы. Прочность, пластичность и теплопроводность алюминия и его сплавов (1100, 6061, САП) вполне удовлетворяют уровню термических напряжений, температурным градиентам и удлинениям материалов, возникающих при работе реакторов [16, 17]. Их коррозионная стойкость в воде и паре достаточно высока при температурах до 150 °С.
10.5.1. Физические, теплофизические и механические свойства алюминия и его сплавов. В табл. 10.3 представлены многие физические, тепловые и механические свойства алюминия и его сплавов (ядерные характеристики алюминия см. в табл. 10.1).
Таблица 10.3. Физические, тепловые и механические свойства алюминия и его сплавов *

Алюминий (отожженный или холоднокатаный) и его сплавы хорошо освоены промышленностью, и их применение в качестве конструкционного материала (оболочки твэлов и другие детали и узлы) исследовательских реакторов на тепловых нейтронах экономически оправдано. Находят применение в реакторостроении и космической технике также хорошо освоенные промышленностью литые и кованые изделия из алюминиевых сплавов.
Чтобы повысить рабочую температуру и теплонапряженность энергетических, но не исследовательских реакторов на тепловых нейтронах, были предложены, к примеру, сплавы на основе Al-Fe [18]. Для повышения коррозионной стойкости при высоких температурах исследовали также сплавы типа AI—Fe-Si, Al-Fe-Zr и Al-Fe-Ni [19, 20]. Среди алюминиевых сплавов, используемых в качестве оболочечного и конструкционного материала, наибольший успех выпал на уран-алюминиевые сплавы, применяемые в качестве топлива в пластинчатых твэлах исследовательских реакторов на тепловых нейтронах (см. п. 6.6.1).
В процессе работы в этих (U-Al) -сплавах при соответствующих температурах и длительностях могут образовываться интерметаллические соединения UAl2, UAI3 и UAl4. Все они имеют различные плотности, температуры плавления и кристаллические решетки (см. гл. 6).

  • Оксид алюминия. Al2O3 находит применение в реакторостроении в качестве уплотняющего, изолирующего, герметизирующего материала, но в основном — это минеральное сырье для извлечения и производства алюминия электролитическим способом. Для ведения этого процесса обезвоженный Al2O3 растворяют в криолите Na3AlF6 и раствор помещают в стальную емкость (танк), выложенную изнутри углеродом, служащим катодом электролизера. Внутри емкости размещаются крупные блоки графита, являющиеся анодами. При пропускании электрического тока через электролизер на дне и стенках емкости (катоде) скапливается жидкий алюминий, а кислород выделяется на графитовом аноде и вступает с ним в реакцию с образованием двуокиси углерода.


(10.3)
(10.4)
Полученный Al вполне пригоден как конструкционный материал для исследовательских реакторов на тепловых нейтронах.
На рис. 10.9 и 10.10 представлены данные по длительной прочности сплава алюминия при 150—350 °С и порошкового алюминия (САП) при 400- 500 °С соответственно. Зависимость минимальной скорости ползучести алюминиевых сплавов при различных температурах от приложенного напряжения показана на рис. 10.11, а на рис. 10.12 приведены зависимости числа циклов до разрушения от размаха деформации при испытаниях на усталость алюминиевых сплавов при различных температурах и частотах циклировании [19].


Рис. 10.9. Длительная прочность алюминиевого сплава при различных температурах
Рис. 10.10. Длительная прочность Al типа САП при различных температурах


Рис. 10.11. Зависимость скорости установившейся ползучести алюминиевого сплава от приложенного напряжения
Рис. 10.12. Термоусталостная прочность алюминиевого сплава при различных частотах циклировании

Закономерности, приведенные на рис. 10.9— 10.12, иллюстрируют основные особенности поведения и характеристики этого класса материалов. Отметим два момента:

  • номинальное содержание Al2O3 в порошковом алюминии марки САП около 7—14%, 2) сплавы алюминия содержат по массе примерно 1% Ni, 1,0- 1,5% Mg, 0,2-0,5% Fe и 1,5% Si (остальное Al).


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