ГЛАВА 10
КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ:
МЕТАЛЛЫ, КЕРАМИКА, КЕРМЕТЫ
ВВЕДЕНИЕ
Назначение конструкционных материалов - обеспечить требуемый уровень механической прочности, общую компоновку и физико-химическую защиту основного оборудования и всей АЭС от коррозии и радиоактивного загрязнения. В гл. 3 уже были перечислены исходные требования, предъявляемые к материалам и их свойствам; подавляющая часть этих требований относится и к реакторным конструкционным материалам (см. гл. 2). Основные узлы реакторов, в которых находят применение конструкционные материалы, - это оболочки твэлов, корпуса давления, каналы теплоносителя, плита или решетка основания активной зоны, системы прокачки теплоносителя, элементы СУЗ и др.
Выбор того или иного конструкционного материала определяется типом реактора деления (см. гл. 1 и 2). Например, для корпусов легко- водных реакторов LWR используют углеродистую или малоуглеродистую сталь, в реакторах на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем — аустенитную нержавеющую сталь, в высокотемпературных газоохлаждаемых реакторах (HTGR) — предварительно напряженный бетон с облицовкой из нержавеющей стали.
Оболочки твэлов легководных и тяжеловодных реакторов изготавливают из сплавов циркония (циркалоев), быстрых реакторов — из аустенитной нержавеющей стали (типа 316), газоохлаждаемых реакторов с графитовым замедлителем — из сплавов магния (магноксы), тепловых исследовательских реакторов — из чистого алюминия и его сплавов.
Керамики BeO, MgO или графит можно использовать как конструкционный материал, а также как замедлители или отражатели в высокотемпературных газоохлаждаемых реакторах на тепловых нейтронах и в AGR соответственно.
Из керметов в качестве материала стержней управления тепловыми и быстрыми реакторами используется борированная нержавеющая сталь. Для корпусов больших газоохлаждаемых реакторов применяют предварительно напряженный железобетон.
Металлы и их сплавы являются доминирующим конструкционным материалом ядерных реакторов различного типа [1—4], хотя в отдельных случаях в их конструкциях находят применение и керамические материалы и керметы.
10.2. МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ
Поскольку металлы в твердом состоянии способны обеспечить механическую прочность, пространственную компоновку и физико-химическую защиту основного реакторного оборудования, то неудивительно, что большинство реакторных конструкционных материалов — это металлические сплавы (сплавы циркония, магния или аустенитные нержавеющие стали, см. гл. 3). Исходя из требований к таким материалам в табл. 10.1 приведены некоторые важные ядерные, физические и тепловые свойства ряда элементов, применение которых в реакторах возможно в виде либо основы, либо легирующих компонентов конструкционных материалов.
В табл. 10.1 (см. также гл. 3) первым требованием к реакторному конструкционному материалу является низкое сечение поглощения (или захвата) нейтронов, продиктованное необходимостью экономии нейтронов. Согласно табл. 10.1 минимальное сечение поглощения тепловых нейтронов имеет бериллий.
Применение конструкционных материалов со сравнительно малым сечением поглощения позволяет либо уменьшить размеры активной зоны, либо снизить обогащение топлива тепловых или быстрых энергетических реакторов.
