Стартовая >> Архив >> Генерация >> Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов

Требования к конструкционным материалам - Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов

Оглавление
Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов
Принципы работы ядерных реакторов
Основы теплотехники ядерных реакторов
Требования к ТВС и твэлам
Твэлы на основе металлического урана
Использование тория и плутония в твэлах ядерных реакторов
Твэлы на основе компактной двуокиси урана
Твэлы на основе смешанного керамического топлива
Твэлы на основе уплотненного порошкообразного окисного топлива
Твэлы на основе карбидного и нитридного топлива
Тепловыделяющие элементы на основе дисперсионного ядерного топлива
Методы покрытия топливных частиц дисперсионных твэлов
Пластинчатые твэлы
Кольцевые твэлы
Стержневые твэлы
Сферические и другие твэлы
Методы соединения ядерного топлива с оболочкой твэла
Выдавливание заготовки твэла через фильеру
Обжатие порошкообразного топлива в оболочке давлением газа
Соединение топлива с оболочкой с помощью теплопроводящей металлической прослойки
Герметизация твэлов
Контроль качества и методы испытания твэлов
Дореакторные испытания твэлов
Реакторные испытания твэлов
Контроль облученных твэлов и ТВС
Требования к конструкционным материалам
Алюминий и его сплавы
Цирконий и его сплавы
Нержавеющие стали
Никель и его сплавы
Титан и его сплавы
Бериллий и его сплавы
Тугоплавкие металлы и их сплавы
Графит
Прямое преобразование тепловой энергии деления ядер в электрическую
Реакторы с термоэмиссионным преобразованием энергии
Реакторы с магнитогидродинамическим преобразованием энергии
Техника безопасности
Литература

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


Материал

Na, К» Na + K

Bi, Pb, Pb + Bi

Hg

н2о

Нержавеющая
сталь

900

550

600

400-600

Ni

900

300

400

Мо

900

800

600

W

900

800

600

Ti

600

300

300

Zr

600

300

300

300—330

А! (сплав)

300

300

300

200

Fe (чистое)

900

700

600

Типы коррозионных разрушений
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



 
« Тепловая защита лопаток турбин   Теплозащитные конструкции оборудования ТЭС »
электрические сети