ГЛАВА 2
СВОЙСТВА РЕАКТОРНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ
К НИМ ТРЕБОВАНИЯ
ТЕХНИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ
ЯДЕРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Техническое проектирование включает творческое использование научной и технологической информации. Проектирование ядерного реактора (реактора деления или термоядерного реактора) или радионуклидного генератора предполагает разработку новых идей в области использования нейтронных источников или ядерной энергии в мирных цепях. При проектировании ядерной установки выбор материалов является логической процедурой, в ходе которой достигается удовлетворение требований, связанных с назначением, техническими характеристиками и ожидаемой работоспособностью конструкции реактора или генератора.
При выборе требуемых ядерных материалов необходимо учитывать свойства или характеристики материалов и их изменение в присутствии интенсивного излучения.
ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К СВОЙСТВАМ ЯДЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
При рассмотрении свойств материалов, используемых в ядерных реакторах (реакторах деления и термоядерных реакторах), можно выделить: 1) общие их свойства, или основные характеристики и 2) специфические свойства материалов, или особые характеристики.
К основным характеристикам, как правило, относятся обычные технические свойства материалов, которые необходимы для большинства инженерных конструкций: механическая прочность, пластичность, конструкционная прочность, соединяемость, обрабатываемость, коррозионная стойкость, характеристики теплопередачи, термическая стабильность; совместимость с другими материалами. Сюда же следует отнести доступность материала и стоимость его производства.
Специфические свойства, которые должны иметь материалы ядерных реакторов, связаны с наличием источников ядерного излучения и особых условий работы реакторной системы. Свойства материалов деталей реакторов могут сильно изменяться под воздействием облучения. К ним относятся: нейтронные характеристики, наведенная радиоактивность, радиационная стабильность и др.
Как общие, так и специфические свойства материалов ядерных реакторов могут изменяться под действием механической и термической обработок, используемых при их изготовлении. Иногда кроме перечисленных выше общих и специфических свойств необходимо иметь дополнительные характеристики используемых материалов (например, знать сопротивление износу).
АНАЛИЗ ОБЩИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ИХ ВЫБОРЕ ДЛЯ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ
Обсудим свойства материалов, представляющие наибольший интерес при их выборе.
- Механическая прочность, пластичность, вязкость и конструкционная прочность. Механическая прочность представляет собой способность элементов конструкции выдерживать напряжения, обусловленные действием внешних или эксплуатационных нагрузок. В, общем случае механическая прочность элементов конструкции должна обеспечиваться при любых условиях эксплуатации ядерного реактора. Мерой механической прочности конструкции являются напряжения, возникающие в ней под действием эксплуатационных нагрузок.
Пластичность характеризует способность материала течь или испытывать постоянную деформацию перед окончательным разрушением при растяжении. Абсолютной меры пластичности нет, однако в качестве показателей пластичности обычно используются относительное удлинение и относительное сужение. Чем больше эти показатели, тем пластичнее материал. Пластичность - свойство, противоположное хрупкости, однако для большинства материалов ядерных реакторов резкой грани между ними нет.
Вязкость характеризует способность материала выдерживать без разрушения ударные нагрузки (механические или термические). Хотя ударная вязкость и не является абсолютной мерой, ее используют для оценки вязкости. Иногда под вязкостью понимают сочетание высокой механической прочности и большой пластичности материала.
Под конструкционной прочностью понимается механическая стабильность конструкции, например герметичность твэлов и целостность регулирующих стержней в ядерном реакторе. Узел или деталь в реакторе могут сохранить свою конструкционную прочность, если они обладают достаточными механической прочностью, пластичностью, вязкостью и механической стабильностью, чтобы выдержать жесткие условия работы.
- Соединяемость, обрабатываемость и коррозионная стойкость.
Соединяемость характеризует способность отдельных кусков материала соединяться друг с другом с помощью стандартных методов сборки, сварки, соединения заклепками и тд. При изготовлении корпусов реакторов и твэлов характеристики соединяемости материалов корпусов и твэлов имеют первостепенное значаще. Огромные противоаварийные оболочки реакторов приходится изготавливать в полевых условиях.
Обрабатываемость материала характеризует его способность изменять форму под действием таких механических операций, как резание, фрезерование, прокатка и ковка. Чем податливее металл, тем более тонкий листовой материал можно приготовить из него путем обработки давлением.
Конструкционные узлы реакторов можно изготавливать только из материалов, обладающих хорошей соединяемостью и обрабатываемостью.
При выборе материалов непременно должна приниматься во внимание коррозия, которой могут быть подвержены любые металлические конструкции, находящиеся в контакте с агрессивными жидкостями (жидкий или газообразный теплоносители). Значение необходимой коррозионной стойкости зависит главным образом от условий эксплуатации. Непредсказуемое резкое изменение скорости коррозии нежелательно, и его следует избегать. Сварные соединения и механически обработанные участки корпусов реакторов, оболочек твэлов, систем трубопроводов и других конструкций легководных реакторов относительно чувствительны к коррозии в водяном теплоносителе.
На базе экспериментальных результатов и накопленного опыта эксплуатации можно установить следующие простые критерии коррозионной стойкости:
сохранение чистоты твердых поверхностей и жидкого теплоносителя;
предотвращение отложений химических соединений на твердых поверхностях и отсутствие примесей в жидком теплоносителе;
предотвращение образования течей в замкнутых системах, трубопроводах, каналах и тд.;
защита сварных соединений и механически обработанных участков от коррозионного воздействия как в статических, так и в динамических условиях;
обеспечение необходимых механических, термических и других характеристик материала в течение всего срока службы, если коррозия неизбежна;
снижение до минимума влияния облучения на скорость коррозии;
исключение окисления твердых поверхностей во время облучения при высоких температурах. Интенсивное облучение и высокотемпературное окисление могут ускорить коррозию ядерного материала.
- Способность к теплопередаче, термическая стабильность и совместимость материалов. Существуют три основных способа передачи тепла: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение. Два первых играют главную роль при конструировании ядерного реактора и при выборе материалов. Поэтому коэффициенты теплопроводности, температуропроводности и теплопередачи путем конвекции тепла, характеризующие основные теплофизические свойства материала, также играют важную роль.
Тепло, которое генерируется в ядерном реакторе главным образом в топливе, необходимо эффективно отвести и использовать с помощью систем парогенераторов и турбогенераторов для получения электрической энергии. Процессы отвода и использования тепла с цепью генерирования электроэнергии на АЭС требуют применения реакторных материалов с хорошей способностью к теплопередаче.
Термическая стабильность является важным свойством материалов, работающих при повышенных температурах. В большинстве практических случаев механическая прочность, конструкционная прочность и корозионная стойкость материалов конструкций и трубопроводов понижается с повышением температуры [1]. Особенно сильно уменьшается теплопроводность оксидов урана и плутония при приближении к их точкам плавления, когда ядерный реактор работает на высоком уровне мощности. Кроме того, теплоноситель может испаряться с образованием сложного двухфазного потока и сам становится нестабильным при высоких температурах. Таким образом, высокая термическая стабильность материалов существенна для безопасной работы ядерных реакторов.
Все элементы и все компоненты в данной реакторной системе должны быть совместимы друг с другом. Другими словами, материалы, выбранные для каждого элемента и каждого компонента системы, должны согласованно функционировать должным образом. Например, в легководном реакторе материал корпуса под давлением должен быть совместим с теплоносителем, а материал оболочки с материалами топлива и теплоносителя. Коррозионная стойкость материалов корпуса реактора и оболочек твэлов должна быть достаточно высокой, так чтобы конструкционные материалы и теплоноситель были совместимы и нормально функционировали в течение всего срока службы.
- Доступность и стоимость. Доступность материалов и их стоимость являются основными экономическими характеристиками, которые следует учитывать при техническом проектировании и выборе материалов. Не имеет значения, что материал обладает желаемыми свойствами или идеально подходит для инженерной конструкции, он должен быть коммерчески доступен и иметь относительно низкую стоимость. Например, для осуществления управляемой термоядерной реакции необходимо изготавливать магниты из сверхпроводящего материала для того, чтобы магнитные поля могли удержать термоядерную плазму. Однако в настоящее время сверхпроводящие материалы (Nb3Sn или NbTi) настолько дефицитны и их стоимость настолько высока, что обычная лаборатория по физике плазмы не может дозволить себе использовать их.
При выборе материалов в процессе проектирования ядерного реактора на основании многих факторов необходимо найти компромиссное решение. Вероятно, конечной стадией проектирования и выбора материалов является экономическая оценка, в процессе которой рассматриваются главным образом доступность и стоимость.
