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

Конструкционные материалы: цирконий - 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

ЦИРКОНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ
Только бериллий, магний, алюминий и цирконий являются металлическими элементами, имеющими низкое сечение поглощения (или захвата) тепловых нейтронов, и, следовательно, их можно использовать в качестве основных конструкционных материалов тепловых реакторов. Несмотря на минимальное сечение поглощения нейтронов и высокую температуру плавления, применение бериллия ограничивается его высокой стоимостью вследствие редкости и токсичностью. Магний занимает второе место по своим ядерным свойствам, совместим с урановым топливом и CO2 как теплоносителем, но из-за низкой температуры плавления и плохой коррозионной стойкости в воде и паре применяется лишь в газоохлаждаемых реакторах с невысокой рабочей температурой.    Алюминий имеет относительное небольшое сечение поглощения, высокую теплопроводность, низкую стоимость вследствие широкой распространенности, однако вследствие невысокой температуры плавления и малой прочности при повышенных температурах его применение ограничивается исследовательскими реакторами на тепловых нейтронах с низкой рабочей температурой. И лишь цирконий, третий по ядерным параметрам элемент, имеет высокую температуру плавления, достаточно высокую механическую прочность при повышенных температурах, хорошую коррозионную стойкость в воде и паре, приемлемую стоимость и распространенность и потому широко применяется как конструкционный материал в легководных и тяжеловодных реакторах. Следует отметить и некоторое различие форм применения перечисленных элементов: бериллий и алюминий используются в виде относительно чистых металлов, тогда как магний и цирконий — в виде сплавов [13- 15,21].
Ниже с учетом основных свойств циркония мы оцениваем его преимущества и недостатки как конструкционного материала энергетических реакторов на тепловых нейтронах (легководных и тяжеловодных) .

Недостатки

  • Низкая теплопроводность
  • Относительно низкое тепловое расширение
  • Невысокая коррозионная стойкость при высоких температурах
  • Относительная дороговизна

Преимущества

  • Низкое сечение поглощения тепловых нейтронов
  • Высокая температура плавления
  • Высокая механическая прочность при повышенных температурах
  • Хорошая коррозионная стойкость в воде и парс
  • Обрабатываемость и технологичность
  • Приемлемая стоимость и распространенность

10.6.1. Распространенность, выделение из руд, получение и производство изделий из него. Несмотря на то что цирконий относится к редким металлам, но все же более распространен в земной коре, чем никель, медь, свинец и цинк. Основным минеральным сырьем для получения циркония является циркон ZrSi04 и баделеит ZrO2. Минералы циркония всегда содержат некоторое количество гафния (0,5-5% по массе), физические и химические свойства которого близки к свойствам циркония [21, 22].
Производство циркония включает процессы разделения циркония и гафния. Цирконий трудно поддается очистке, и полученный чистый металл может при контакте с окружающей средой загрязниться такими элементами, как O2, N2, H2 или CO2. Эти примеси оказывают сильное отрицательное влияние на свойства циркония и его сплавов.
Поскольку гафний имеет неприемлемо высокое сечение поглощения нейтронов, его необходимо отделить от циркония. Разработан ряд химических, физических и термических процессов такого разделения: фракционной кристаллизации, фракционного осаждения (выделения), экстракции селективными растворителями, ионного обмена, термической перегонки и т.д. [22—24].
Для получения из циркона металлического циркония в промышленности разработан модифицированный процесс Кролла [23, 24]. Процесс состоит из следующих основных операций:

  • карбонизация циркона;
  • хлорирование карбида циркония;
  • очистка и уплотнение необработанного хлорида циркония;
  • магнийтермическое восстановление очищенного хлорида циркония [см. ниже уравнение (10.5)];
  • отделение MgCl2 от восстановленного циркония;
  • дуговая плавка губчатого циркония.

Основная химическая реакция для получения густого циркония:
(10.5)
Для получения высокочистого циркония применяют иодидный процесс, исходным сырьем для которого служит либо неочищенный порошок циркония кальцийтермического восстановления, либо губчатый металл модифицированного процесса Кролла.
Химический процесс включает в себя непрерывные химические реакции и выражается следующим уравнением:
(10.6)
иллюстрирующим процесс получения чистого циркония из загрязненного через образование промежуточного соединения — тетраиодида циркония Zrl4 и непрерывную регенерацию иода, вступающего в реакцию с неочищенным цирконием.
Очищенный от гафния губчатый или иодидный цирконий может использоваться при производстве циркониевых сплавов, например циркалоев.
Технологические свойства холоднообработанного иодидного циркония превосходят свойства губчатого металла. Загрязнение циркония и сплавов кислородом, азотом и водородом снижают пластичность и повышают механическую прочность металла.
Обрабатываемость циркония в горячем состоянии (при ковке и прокатке) удовлетворительна. Эффект влияния газовых примесей (О2, N2. H2 и др.) на механические свойства при повышенных температурах не сохраняется. Свариваемость циркония в инертной атмосфере (в потоке Аг) даже лучше, чем у некоторых известных конструкционных материалов. Сварные швы, полученные таким способом, оказываются пластичными.
Методом спекания прессовок в вакууме или инертной атмосфере из порошкового циркония легко получают изделия с высокой плотностью и пластичностью.

  • Ядерные, физические, теплофизические и механические свойства. Ниже приведены свойства и характеристики циркония как конструкционного материала.

Сечение поглощения тепловых нейтронов, б 0,180
Сечение рассеяния тепловых нейтронов, б............ 8,0
Плотность (теоретическая), г/см3 ............................. 6,50
Тип кристаллической решетки при 20-862 °С
(а-фаза) ...................................................................... ГПУ
параметры решетки при 20 °С, А
<0,005% Hf (по массе)..................................................... в =3,230; с = 5,147
1,2%Hf (по массе),........................................................... в = 3,231; с = 5,146
Тип кристаллической решетки при 862-1845 °С
(0-фаза) ................................................................... ОЦК
параметр решетки при 867 °С, А............................ в = 3,62
Температура плавления, °С..................................... 1852 ± 10
Температура кипения (приблизительно), °С . . . . 3580
Удельная теплоемкость с„ при 20 °С, Дж/(г-°С) 0,28
Теплопроводность при 20 °С, Дж/(см-с,0С) 0,18
Линейный коэффициент теплового расширения при 20 °С, 10-6/°С:
направление <0,005% Hf (по массе) 1,2% Hf (по массе) а 5,64         5,69
с                                                 6,39                           6,09
Предел прочности при растяжении, МПа: губчатого
отожженного .....................................................................  390-490
холоднодеформированного ............................................  640—720
иодидного
отожженного ...................................................................  205—240
холоднодеформированного ............................................  550—620
Предел текучести при растяжении, МПа: губчатого
отожженного .....................................................................  240-310
холоднодеформированного ..............................................  550-650
иодидного
отожженного ..................................................................  685—1030
Модуль упругости, МПа:
губчатого отожженного................................................. 83 300- 86 240
иодидного отожженного ...............................................  93 100 — 96 050
Удлинение, %
губчатого отожженного................................................. 20-30
иодидного отожженного ............................................... 30-40
Твердость по Роквеллу
губчатого отожженного................................................. 75—85
иодидного отожженного ............................................... 85—96
Превосходные ядерные, физические, тепловые и механические свойства циркония реализуются и в его сплавах, таких, например, как циркалой-2 и циркалой-4, разработанных и широко применяемых в качестве основных конструкционных материалов легководных и тяжеловодных реакторов.
В дополнение к механическим свойствам на рис. 10.13 показана типичная температурная зависимость линейного коэффициента термического расширения циркония, а на рис. 10.14 представлены диаграммы растяжения отожженного кристаллического Zr при различных температурах.


Рис. 10.13. Изменение коэффициента линейного расширения а циркония (с 1,2% Hf но массе) с температурой
Рис. 10.14. Кривые напряжение—деформация для отожженного кристаллического циркония при различных температурах

10.63. Циркониевые сплавы. Циркалой. Цирконий может образовывать двойные, тройные и многокомпонентные сплавы со многими элементами: бериллием, алюминием, хромом, медью, железом, молибденом, никелем, ниобием, оловом и тд. Легирующие элементы добавляют для повышения механических свойств и коррозионной стойкости циркония при повышенных температурах [21, 22, 25]. В большинстве выбранных и исследованных двойных и тройных систем имеются сплавы с высокой растворимостью одного или обоих легирующих элементов в губчатом или иодидном Zr. Основной способ производства циркониевых сплавов — дуговая плавка губчатого циркония с высокочистым оловом (циркалой) или с оловом и ниобием (сплав для высокотемпературного применения).
В качестве конструкционных и оболочечных материалов легководных и тяжеловодных реакторов широко применяются сплавы циркония типа циркалоев. Из них циркалой-2 используется в кипящих водяных и тяжеловодных реакторах, циркалой-4 — в энергетических водяных, а циркалой-3 — в некоторых судовых атомных установках. Химический состав перечисленных и некоторых перспективных сплавов циркония приведен в табл. 10.4.
Все сплавы циркония, в том числе циркалои, характеризуются высокой коррозионной стойкостью в воде и паре при температурах до 400 °С.
Таблица 10.4. Химический состав некоторых сплавов циркония (содержание по массе, %)


Рис. 10.15. Кривые ползучести циркониевых сшивов:
1 — сшив циркалой с 1,35% Sn (по массе) после экструзии; 2 — сплав Zr — 10,3% И - 7,8% Мо (по массе), старение 200 ч при 600 °С; 3 —  сплав Zr - 2,27% Sn (по массе) после экструзии; 4 — сплав Zr — 1,48% Al (по массе) после экструзии

Рис. 10.16. Кривые ползучести:
1 — холоднодеформированного на 25% циркалоя-2 при а = 140 МПа; 2 —  отожженного Zr - 2,5% Nb (по массе) при <7 = 140 МПа; 3 —  холоднодеформированного на 20% Zr - 2,5% Nb при О = 240 МПа; 4 —  холоднодеформированного на 15% циркалоя-2 при О = 116 МПа

Обладание этим качеством является, по существу, основным требованием к конструкционному материалу энергетических, кипящих водяных и тяжеловодных ядерных реакторов. Приведенные в табл. 10.12 легирующие цирконий элементы не только увеличивают его высокотемпературную коррозионную стойкость в воде и паре, но и улучшают прочностные и пластические свойства, практически не меняя сечение поглощения тепловых нейтронов.
По коррозионной стойкости циркалой-2 несколько превосходит сплавы Zr — 2,5% Nb (по массе) и Zr — 2,5% Nb — 1% Zn (по массе). Однако закалкой из области бета-фазы или (а + бета) -фазы и последующим старением при температуре ниже монотектоидного превращения (около 600 °С) у этих сплавов можно достичь большей прочности и пластичности, чем у циркалоя-2.
Для сравнения на рис. 10.15 представлены кривые ползучести различных сплавов циркония при 600 °С и напряжении 20 МПа, на рис. 10.16 — аналогичные кривые при 300 °С для циркалоя-2 и сплава Zr - 2,5% Nb (по массе) в различных структурных состояниях и при различных напряжениях, а на рис. 10.17 показано влияние термоциклирования на скорость ползучести термообработанных гидрированных и негидрированных образцов сплава Zr - 2,5% Nb (по массе) [26-28]. Температурная зависимость теплопроводности циркалоя-2 и циркалоя-4 представлена на рис. 10.18 [29, 30]. На рис. 10.19 показано влияние легирования на температурную зависимость предела прочности циркония с низким содержанием гафния, а на рис. 10.20 приведены результаты испытаний на ползучесть при 300 °С и напряжении 135 МПа образцов, полученных прессованием образцов циркониевых сплавов [15], а также массовое содержание олова в сплавах.


Рис. 10.17. Влияние термоциклирования на кривые ползучести термообработанного гидрированного (/) и негидрированного (2) сплава Zr — 2,5% Nb (по массе), Тисп = 300 °С, частота циклирования 2 цикла/сут при а = 175 МПа

Рис. 10.18. Изменение с температурой теплопроводности сплавов

Рис. 10.19. Температурная зависимость предела прочности при растяжении нелегированного (штриховая кривая) и легированного (сплошные кривые) циркония с низким содержанием гафния

Рис. 10.20. Кривые ползучести экструдированных сплавов циркония при 300 °С и напряжении О = 140 МПа



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