Прочность сплавов циркония - Область применения сплавов циркония

Глава первая
ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ СПЛАВОВ ЦИРКОНИЯ И ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Цирконий занимает двадцать первое место по распространенности в земной коре, и его запасов значительно больше, чем таких широко используемых в технике металлов, как Ni, Zn, Сu, Sn, Pb, Со и др. Однако практическое применение циркония долгое время было весьма ограничено, что обусловливалось главным образом технологической сложностью и высокой стоимостью производства. Разработка промышленного метода получения пластичного циркония позволила значительно расширить область его практического использования.
Чистый компактный цирконий обладает рядом технически важных свойств. Одним из них является высокая коррозионная стойкость во многих агрессивных средах, что делает цирконий весьма ценным конструкционным материалом для химической промышленности. Однако наиболее значительной особенностью циркония оказались его ядерные свойства. Благодаря замечательным ядерным характеристикам цирконий из редкого экзотического металла превратился в «конструкционный материал номер один атомного века».
Наиболее ценным ядерным свойством циркония, обусловившим его широкое использование в атомных реакторах, является малое сечение захвата тепловых нейтронов, которое для металла реакторной чистоты составляет 0,18-10-24 см² [10]. Только углерод, бериллий и магний имеют более низкие сечения захвата тепловых нейтронов.
Однако сочетание низкого поглощения нейтронов с другими свойствами, необходимыми для конструкционного материала активной зоны атомных реакторов, делает цирконий более предпочтительным. Наряду с низким поглощением нейтронов, цирконий характеризуется относительно низкой активацией при облучении нейтронами, уступая лишь алюминию и магнию.
Конструкционные материалы активной зоны атомных реакторов работают в тяжелых условиях, поскольку, наряду с воздействием высокой температуры, значительных статических и динамических нагрузок, а также агрессивных сред, они подвергаются облучению частицами высоких энергий, и прежде всего нейтронами. В связи с этим помимо обычных требований, предъявляемых к конструкционным материалам энергетических установок, материалы активной зовы должны удовлетворять также следующим требованиям, обусловленным спецификой работы под облучением:

1. минимальным сечением поглощения нейтронов;
2. хорошими теплофизическими свойствами (большим коэффициентом теплопроводности, низкой теплоемкостью, малым коэффициентом теплового расширения и др.);
3. высокими механическими характеристиками (прочностью и пластичностью при кратковременных испытаниях, длительной прочностью и т. д.), а также термической и радиационной стойкостью, обеспечивающими надежность работы в условиях высоких температур, нагрузок и облучений;
4. высокой коррозионной и эрозионной стойкостью в рабочих средах;
5. технологичностью (деформируемостью, свариваемостью, литейными свойствами, обрабатываемостью резанием и др.), обеспечивающей возможность изготовления деталей требуемой формы и размера.

Специфика условий работы ряда узлов активной зоны, а также особенности конструкции атомного реактора могут налагать дополнительные требования к используемым конструкционным материалам и в то же время определять степень жесткости выполнения указанных основных требований.
Совокупность отличных ядерных свойств с высокими физико-механическими характеристиками, коррозионной стойкостью и технологичностью сделали цирконий и его сплавы более предпочтительными для использования в качестве конструкционного материала в атомных реакторах на природном и обогащенном уране по сравнению с алюминием, магнием, бериллием, а в некоторых случаях и по сравнению с нержавеющими сталями. К настоящему времени циркониевые сплавы успешно используют в атомных реакторах различного типа и назначения. Первый опыт использования циркония имел место в конце сороковых годов для оболочек тепловыделяющих элементов (твэлов) атомного реактора типа STR [10].
В пятидесятых годах, наряду с расширением применения для атомных транспортных установок (подводная лодка «Наутилус», торгово-пассажирское судно «Саванна» в США, атомный ледокол «Ленин» в СССР),циркониевые сплавы начали успешно использовать в энергетических атомных реакторах. К 1962 г. из 79 энергетических реакторов, описанных в сводной таблице реакторов всех стран мира, в 21 реакторе для оболочек твэлов использовали цирконий и его сплавы [132]. А уже в 1969 г. число энергетических реакторов, в которых циркониевые сплавы применялись для оболочек твэлов или других конструктивных элементов активной зоны, составило более 80 [148]. 

Энергетические реакторы являются в настоящее время основной сферой применения циркониевых сплавов. Известны случаи использования сплавов циркония в исследовательских реакторах [149] и реакторах-размножителях (реакторы «Энрико Ферми», EBR-1 в США [7] и др.).