Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов - Требования к конструкционным материалам

ГЛАВА 8
КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

В табл. 8.1. приводится наиболее важные физические свойства металлических конструкционных материалов; одни материалы уже нашли применение в качестве оболочек твэлов, другие представляют интерес.

ТРЕБОВАНИЯ К КОНСТРУКЦИОННЫМ МАТЕРИАЛАМ

В данном разделе рассматриваются конструкционные материалы, используемые для оболочек твэлов. Оболочка твэла работает в очень сложных напряженных условиях в течение длительного времени при высоких параметрах теплоносителя и больших тепловых нагрузках; оболочка должна удовлетворять многим требованиям, быть механически надежной и обеспечивать постоянство формы, размеров и герметичность твэла при длительной эксплуатации реактора;
Таблица 8.1. Некоторые физические свойства металлических конструкционных материалов

Примечание, г. ц. к. — гранецентрированная кубическая решетка; о. ц. к. — объемноцентрированная кубическая решетка; г. n. — гексагональная решетка.

обладать необходимыми физическими свойствами (температуры плавления Тпл и рекристаллизации Грекр, термическое расширение, теплоемкость, аллотропические превращения); иметь минимальное сечение поглощения нейтронов; обладать достаточной теплопроводностью, обеспечивающей теплопередачу через стенки оболочки с низким термическим напряжением; быть совместимой с ядерным топливом; иметь допустимую термическую усталость; обладать коррозионной стойкостью в теплоносителе под напряжением; быть радиационно-стойкой и химически стойкой к топливу; иметь устойчивый химический состав и структуру при эксплуатации; быть технологичной (пластичной, поддаваться сварке, профилированию и др.); стабильность изготовления высококачественных тонкостенных труб является одним из важных требований, предъявляемых к материалу оболочки; кроме того, необходимо учитывать возможность регенерации.
Механическая надежность предполагает правильную оценку механических свойств материала оболочки. Прочность и пластичность исходного материала не определяют работоспособность оболочки твэла. Все конструкционные материалы подвергаются воздействию облучения. Как правило, увеличиваются ав, твердость, модуль Юнга, уменьшаются пластичность и ударная вязкость. Это Необходимо учитывать при конструировании твэла. При высоких флюенсах
(>1026 нейтр/м2) материалы из нержавеющей стали распухают; чем больше флюенс, тем больше распухание. Остаточная пластичность нержавеющей стали, например, прифлюенсе 10²⁵ нейтр/м2 снижается до ~0,3—0,5% (тогда как исходная пластичность составляет 30-40%).
Необходимо стремиться к тому, чтобы материал оболочки после облучения имел достаточную пластичность, позволяющую без разрушения выдерживать ощутимую деформацию, низкий модуль упругости Е и высокую теплопроводность Я, чтобы оболочка могла деформироваться без возникновения высоких напряжений в ней.
При выборе материала оболочки необходимо учитывать Гпл и Грекр. Температура плавления определяет уровень рабочих температур в реакторе и дает возможность предвидеть поведение твэла в аварийных ситуациях (прекращение охлаждения твэлов); Граб не должна быть выше Грекр.
Оболочка твэла должна выдерживать термические напряжения сгТеРм, возникающие в ней при высоких тепловых потоках от ядерного топлива к теплоносителю.
Термическое напряжение в стенке трубчатой оболочки твэла, МПа, определяется по формуле

Рис. 8.1. Термические напряжения в оболочке при тепловом потоке 2,3 МВт/м2 в зависимости от толщины:
1 — нержавеющая сталь; 2 — никель; 3 — циркалой; 4 — алюминий; 5 — медь

Следовательно, аТсрм будет тем меньше, чем меньше Е, а, q, 6 и чем больше а (рис. 8.1).
Перепады температур ДГ н термические напряжения аТеРм даны в табл. 8.2. При выборе материала оболочки необходимо точно знать его коррозионное и эрозионное поведение в том теплоносителе, в котором он будет работать. В табл. 8.3 показаны температурные интервалы, в которых материалы обладают удовлетворительной стойкостью в различных средах в статических условиях. Необходимо помнить об эрозионных свойствах материалов. Чем больше скорость теплоносителя, тем больше эрозионный эффект.

Таблица 8.2. Перепады температур, К, и термические напряжения, МПа, в различных материалах

Таблица 8.3. Примерные пределы температур, °С, использования различных материалов в теплоносителях

Рис. 8.2. Типы коррозионных разрушений:
1—3 — сплошная коррозия; 4—9 — местная коррозия; 1 — равномерная; 2 — неравномерная;

1. — структурно-избирательная; 4 — коррозия пятнами; 5 — коррозия язвами; 6 — коррозия точками; 7 — межкристаллитная; 8 — транскристаллитная (коррозионное растрескивание); 9 — подповерхностная

Н. Д. Томашев классифицировал коррозию следующим образом: а) сплошная коррозия — равномерная и неравномерная, распространяющаяся на всю поверхность; б) местная коррозия, проявляющаяся на отдельных участках материала, структурно-избирательная, точечная, транскристаллитная, подповерхностная и другие виды коррозии (рис. 8.2).
Очень важно, чтобы материал оболочки обладал минимальным паразитным захватом нейтронов (табл. 8.4).
Таблица 8.4. Сечения поглощения тепловых нейтронов, б, некоторых элементов