В то время как магний, алюминий, цирконий и их сплавы являются главными конструкционными материалами тепловых реакторов, нержавеющие стали и сплавы никеля доминируют в быстрых реакторах- размножителях.
Поскольку в быстрых реакторах никакого замедлителя не требуется, отношение топливной составляющей к конструкционным материалам в них значительно выше, чем в тепловых. Следовательно, выше оказывается и отношение макроскопических сечений реакций деления и захвата нейтронов. И как результат те конструкционные материалы со средним или довольно большим микроскопическим сечением поглощения или захвата нейтронов, которые нельзя помещать в тепловой реактор по соображениям экономии нейтронов, возможно использовать в быстрых реакторах благодаря их превосходным физическим, тепловым и механическим свойствам и высокой коррозионной стойкости в теплоносителе при высоких температурах. А их влияние на экономию нейтронов в реакторе оказывается не столь значительным. В этом основные причины широкого использования аустенитных нержавеющих сталей и никелевых сплавов в качестве конструкционных материалов быстрых реакторов, особенно с жидко металлическими теплоносителями.
Нержавеющая сталь.
Аустенитные нержавеющие стали, хорошо освоенные в промышленности, пригодные для работы в разнообразных условиях, приемлемые по стоимости, обладающие превосходными механическими свойствами и высокой коррозионной стойкостью при повышенных температурах (ниже 650 °С), представляют собой сплавы на основе железа с хромом и никелем как основными легирующими элементами (табл. 10.5). Эти стали привлекают к себе внимание как конструкционный материал быстрых и тепловых реакторов (корпуса и системы трубопроводов), контейнеров для радиоизотопов и радиоактивных отходов и других аппаратов и конструкций ядерной техники.
В табл. 10.5 из огромного множества сталей серии AISI приведены номинальные составы некоторых аустенитных нержавеющих сталей, применяемых в ядерной технике.
Что касается ядерных свойств аустенитной стали, то ее сечение поглощения и рассеяния быстрых и тепловых нейтронов зависят от химического состава. Данные по сечениям нейтронных реакций вполне доступны [31].
Таблица 10.5. Номинальный состав аустенитных нержавеющих сталей, применяемых в реакторостроении
Сумма макроскопических сечений поглощения и рассеяния каждого элемента дает эквивалентные сечения поглощения и рассеяния быстрых и тепловых нейтронов рассматриваемой нержавеющей стали. В некоторых случаях в качестве приближенных значений сечений нейтронных реакций для аустенитной нержавеющей стали могут быть взяты сечения реакций для железа.
В табл. 10.6 приведены некоторые важные физические, тепловые и механические свойства некоторых аустенитных нержавеющих сталей (значительно большее число экспериментальных данных можно найти в технической литературе).
Стали марок 304 и 304L (308) используются как основной и сварочный материал корпусов быстрых реакторов с жидкометаллическим теплоносителем. Стали марок 316 и 316L применяют в качестве основного и сварочного материала оболочек твэлов тех же реакторов, а из сталей 309 SNb и 347 изготавливают корпуса и узлы активной зоны аппаратов того же типа. Рабочая температура поверхности стали, находящейся в контакте с жидкими Na или NaK, ограничена и обычно не превышает 650 °С.
Аустенитные нержавеющие стали - материалы с высокой коррозионной стойкостью при температурах до 650 °С. И все-таки в этой области существуют нерешенные проблемы: коррозионное растрескивание на внутренней поверхности оболочек твэлов и корпусов реакторов; склонность к межкристаллитной коррозии в некоторых теплоносителях после провоцирующей термической обработки (сенсибилизации); образование хрупкой сигма-фазы, особенно в сварных соединениях с большим содержанием феррита; коррозионное растрескивание на внутренней поверхности оболочек твэлов под действием осколков деления и таких химических соединений, как Csl, Cdl2, Cs2Te, CsCl2 и др.; ускорение коррозии за счет омывания изделия высокоскоростным потоком коррозионной жидкости и удаления защитной пленки и высокие термические напряжения из-за низкой теплопроводности и термоциклирования вследствие цикличности работы реактора, приводящие к усталостному разрушению под действием термических напряжений [32].
Углеродистые малолегированные ферритные стали по большей части используются в энергетических легководных реакторах как материал корпуса и систем трубопроводов с внутренним покрытием из нержавеющей стали для защиты от водной коррозии. Эти стали обсуждаются ниже в связи с рассмотрением корпусных материалов.
Никелевые сплавы.
Недостаточный для условий быстрых реакторов уровень тепловых, коррозионных и конструкционных свойств аустенитных нержавеющих сталей и относительно невысокая сопротивляемость термо циклировании) (циклическим термическим напряжениям, тепловым ударам и термоусталости), взаимной диффузии между топливом и оболочкой твэла, а также коррозионному повреждению (падение коррозионной стойкости) при повышенных температурах (650 °С и выше) привели к разработке и производству никелевых сплавов (или суперсплавов). Такие сплавы никеля, как инконель и хастеллой, обладают высокой прочностью и хорошей коррозионной стойкостью при повышенных температурах. К примеру, длительная прочность при 650 °С у сплавов никеля находится в интервале 245 — 550 МПа, у аустенитных нержавеющих сталей - в интервале 98— 205 МПа, а у углеродистых корпусных сталей - в интервале 20 — 44 МПа. Химический состав некоторых известных никелевых сплавов приведен в табл. 10.7.
Что касается ядерных свойств, то сечения поглощения и рассеяния быстрых и тепловых нейтронов у никелевых сплавов зависят, как и у аустенитных нержавеющих сталей, от химического состава. Эти величины можно получить из экспериментальных данных по сечениям нейтронных реакций [31].
Таблица 10.7. Химический состав некоторых известных
никелевых сплавов
Таблица 10.8. Физические, тепловые и механические свойства никелевых сплавов
|
| Материал |
| |
| № | Инконель | Хастеллой В | Инко-800 |
Плотность при 20 С, г/см3 | 8,91 | 8,51 | 9,24 | 8,89 |
Кристаллическая решетка | ГЦК | ГЦК | ГЦК | ГЦК |
Параметр кристаллической решетки при 20 °С, А | 3,524 |
| — | — |
Температура плавления, С | 1455 | 1400-1435 | 1335-1350 | 1365-1400 |
Удельная теплоёмкость ср при 20-100 °С, Дж/(г • °С) | 0,46 | 0,46 | 0,38 | 0,40 |
Теплопроводность при 20-100 °С, | 82,6 | 15,0 | 11,2 | 46,6 |
Линейный коэффициент термического расширения | 13,3 | 11,5 | 10,1 | 12,2 |
Предел прочности при 20 С, МПа (горячекатаный) | 315 | 685 | 925 | 720 |
Предел текучести, МПа | 58 | 315 | 404 | 274 |
Модуль упругости, МПа | 205 800 | 212 700 | 210 700 | 210 700 |
Удлинение, % (горячекатаный материал) | 28 | 44 | 53 | 45 |
Напряжение ползучести при скорости 10-4%/ч, МПа (горячекатаный) | 21 | 171 | 18 | 89 |
Длительная прочность при 650 ° С на базе 103 ч, МПа |
| 98 | 226 | 206 |
Физические, тепловые и механические свойства никелевых сплавов приведены в табл. 10.8.
Для твэлов быстрых реакторов с карбидным топливом (U, Pu)С вместо нержавеющих сталей предпочтительнее использовать сплавы никеля, поскольку нержавеющие стали насыщаются углеродом вследствие его диффузии из топлива в материал оболочки [32, 33]. Вообще, диффузия углерода из карбидного топлива в нержавеющую сталь оболочки может оказать вредное воздействие и на топливо, и на оболочку. При недостаточной стехиометрии топливо будет выделять большее число газовых осколков. При высоком содержании углерода в нержавеющей стали будет происходить хрупкое разрушение оболочки.
