Большинство известных керамических материалов — соединения двух элементов, например: UO2, UC, UN, PuO2, ThO2, BeO, Al2O, B4C. Элементарный углерод (графит), бор и кремний также относят к керамическим материалам. Обычно это материалы с высокой температурой плавления и, следовательно, с высокими характеристиками жаропрочности и коррозионной стойкости. Но они склонны к хрупкому разрушению при ударных и растягивающих нагруженных и термических ударах.
Керметы — это металлокерамические смеси или комбинации металлов с керамикой. Их свойства — промежуточные между свойствами металлов и керамики. Большая часть композитных материалов, используемых в различных конструкциях в атомной, нефтяной и авиакосмической промышленности, относится к керметам. Некоторые керметы, например Al-Al2O3 (САП), U-AI-Al2O3 (твэл пластинчатого типа), B4С — нержавеющая сталь (стержни управления) и др., находят применение в реакторо строении.
Различия между керамиками и керметами
- Керметы обладают большей прочностью и пластичностью.
- Керметы имеют более высокую сопротивляемость механическим и тепловым ударам.
- Свойства керметов промежуточные между свойствами металлов и керамик.
Сходство керамик с керметами
- Высокая радиационная и коррозионная стойкость.
- Относительная стабильность при высоких температурах (высокие температуры плавления).
- Относительная хрупкость и чувствительность к механическим и термическим ударам.
Керамические материалы ядерных реакторов. В табл. 10.9 представлены (выборочно) применяемые в настоящее время и перспективные для реакторостроения керамические материалы. Из них применение уже нашли UO (топливо), PuO2 (топливо быстрых реакторов), графит (замедлитель, отражатель и конструкционный материал тягловых реакторов), ВеО (отражатель в тепловых и быстрых реакторах), B4С, H3ВO3, Er2O3, Gd2CO3, Eu2O3, HfC (стержни управления и защиты), бетон, B2O3 (материал защиты реакторов), натриевое стекло (окна горячих камер) и тд. Перспективными реакторными материалами являются UC, UN, PuC, PuN, ThC, AI2O3, MgO, ZrO2 и др.
10.9. Существующие и перспективные керамические материалы различного назначения
Фазовые превращения в керамических материалах встречаются редко. Почти все керамики — кристаллические вещества. Однако у стекол структура характеризуется наличием лишь хаотической трехмерной кристаллической сетки. Основы сеток стекол состоят из SiO2, B2O3, Al2O3, модификаторами могут быть Na2O, К2O, MgO, СаО и PbО. Вообще, кристаллические керамики имеют определенные точки плавления, у стекол фиксированной температуры плавления нет и при нагревании до высоких температур они постепенно размягчаются, превращаясь в жидкость.
Электро- и теплопроводности большинства керамических материалов в отличие от большинства металлов с ростом температуры падают. Такие материалы, как Z1O2, MgO и асбест с очень низкими электро- и теплопроводностями, широко используют как изоляторы.
Среди конструкционных керамик (см. табл. 10.9) со времен первых тепловых реакторов нашел широкое применение графит. Он имеет хорошие замедляющие и отражающие свойства, высокую механическую и конструктивную прочности, хорошую теплопроводность, высокую термическую и радиационную стойкость, хорошую технологичность и низкую стоимость. И в самом деле графит служит конструктивной основой деталей и узлов реакторов на тепловых нейтронах.
Применение керметов в ядерной технике.
Поскольку керметы — некая комбинация металлов и керамик, то их ядерные, физические, тепловые и механические свойства лежат между свойствами металлов и керамик.
Таблица 10.10. Ядерные, физические, тепловые и механические свойства некоторых керамик и керметов
Уровень того или иного свойства кермета зависит, следовательно, от количественного соотношения в нем керамических и металлических компонентов. К примеру, теплопроводность керметов обычно ниже, чем металлов, но выше, чем керамик.
В табл. 10.10 сравниваются ядерные, физические, тепловые и механические свойства некоторых керамических материалов и керметов.
Одно из наиболее вероятных применений керметов — топливные и управляющие элементы дисперсного типа. И те, и другие содержат набор конструкционных материалов.
Топливные элементы дисперсного типа по сравнению с обычными твердыми гетерогенными твэлами могут способствовать: 1) повышению ресурса активной зоны за счет локализации области повреждений осколками деления в непосредственной близости от частиц дисперсного топлива, одновременно снижая до минимума повреждение конструкционного матричного металла; 2) расширению выбора ядерного горючего за счет использования металлургически несовместимых видов керамического топлива и получению таких физических, тепловых в механических свойств, какие не достижимы в обычных твалах [34—36].
Поскольку дисперсные твэлы - это элементы с гетерогенным распределением топлива (UO2, UC или PuO2), состоящие из топливного компонента (фазы), дисперсно распределенного в сплошной матрице из конструкционного (неделящегося) материала (Zr, Al, Be или нержавеющей стали), то можно разбавлять высокообогащенное по 235U топливо неделящимся материалом (матрицей). Таким образом, при использовании керамического обогащенного уранового топлива неделящийся компонент твэла (матрица из металла или сплава) должен выполнять чисто конструктивную роль.
Чтобы снизить до минимума радиационное повреждение и обеспечить механическую прочность и пластичность металла-разбавителя, его объем в твэле должен преобладать и он должен выполнять роль и матрицы, и конструкционного материала.
Анализ длины пробега осколков деления в топливе и доли этих осколков, покинувших частицы UO2, показывает, что для того, чтобы реализовать преимущества, заложенные в идее дисперсного твэла, необходимо соблюдение следующих условий: 1) размер дисперсных топливных частиц должен быть значительно больше длины пробега осколков деления; 2) распределение дисперсных частиц в металлической матрице должно быть равномерным; 3) плотность делящегося компонента по урану (концентрация в нем урана) должна быть высокой; 4) объемная доля металлической матрицы в дисперсном твэле должна быть как можно большей. Правильный выбор размера дисперсных частиц, достижение высокой степени равномерности их распределения, концентрации делящегося элемента в частицах и максимально большой объемной доли металлической матрицы позволят снизить до минимума радиационное повреждение твэла осколками деления.
Однако при эксплуатации дисперсных твэлов в реакторе, вероятно, будет трудно сохранять однородность их физических, тепловых и механических свойств, в частности конструктивной прочности и пластичности, радиационной и коррозионной стойкости.
Известны следующие управляющие элементы дисперсного типа:
- в виде твэлов энергетических и особенно кипящих реакторов с UO2 и оболочками из циркалоя, с вставленными в них дисперсными выгорающими поглотителями B2 O3, GdO3 или Eu2 O3;
- в виде стержней управления с поглотителями нейтронов, например B4С или HfC, дисперсно распределенных в матрице из нержавеющей стали.
Перечисленные здесь элементы: В, Gd, Eu, Hf имеют большое сечение поглощения нейтронов. Выгорающие поглотители призваны выравнивать распределение нейтронного потока (тем самым и мощность реактора), а стержни управления предназначены для регулирования реактивности. Оба вида элементов являются в определенной мере керметами, в которых в роли матричной фазы выступает металл или сплав, являющийся одновременно и конструкционным материалом.
