Материалы ядерных энергетических установок - Свойства тория

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

Таблица 9.2. Удельная теплоемкость, теплопроводность, тепловая диффузия и коэффициент термического расширения тория [9-11]

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

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.