Необходимо, чтобы теплоноситель в быстрый реактор-размножитель был совместим с материалом оболочки и в определенной степени — с топливом (на случай разрыва оболочки). Гелий, будучи инертным газом, совместим с любым конструкционным материалом и топливом.
Пap оказывается достаточно агрессивным по отношению к конструкционным материалам. Так, он вызывает коррозию обычной нержавеющей стали. Эта проблема достаточно остро стояла на ранних этапах исследования паровых систем [29]. Решение было найдено в применении никелевых сплавов, таких как инколой и инконель.
Как обсуждалось в § 11.3, присутствие большого количества никеля в активной зоне ухудшает характеристики воспроизводства. Другой более серьезный недостаток — охрупчивание никелевых сплавов, стимулированное (n, α)-реакцией. Таким образом, пар как теплоноситель в быстрый реактор-размножитель не выдерживает конкуренции с другими теплоносителями, в первую очередь из-за коррозии материала оболочек.
Натрий оказывается вполне совместимым с традиционными конструкционными материалами. Поскольку он был выбран в качестве главного кандидата на роль теплоносителя в быстрый реактор-размножитель, его свойства были изучены наиболее всесторонне. Перечислим основные направления этих исследований [1].
Коррозия материалов
Основные компоненты нержавеющей стали (Fe, Cr, Ni) очень медленно растворяются в натрии в горячей части активной зоны и высаживаются на более холодных частях. Этот довольно длительный процесс называется утонением (или износом) оболочки. Скорость растворения составляет десятые доли микрометра в год при 700 °С. Однако вкупе с другими причинами разрушения этот эффект также необходимо учитывать при расчете срока службы оболочки. Для уменьшения скорости коррозии необходимо стремиться снизить, насколько возможно, концентрацию кислорода в натрии.
Селективное вымывание
Компоненты стали по-разному растворяются в натрии. Поэтому происходит селективное вымывание элементов с поверхности оболочки. Состав ее поверхностного слоя постепенно меняется, так как хром и никель вымываются быстрее, чем железо. Этот эффект хотя и мал, но он оказывает вредное влияние на прочность оболочки.
Осаждение раствора
Растворенный металл, осcаждаясь на холодных частях промежуточного теплообменника, ухудшает теплоотдачу, т. е. снижает эффективность работы теплообменника. Толщина осадка может оказаться столь значительной, что для поддержания установленной скорости потока теплоносителя потребуется увеличение давления в насосе. В стали имеется незначительная примесь кремния. Как показали наблюдения, этот элемент за длительное время вымывается и образует соединения с натрием, которые также выпадают в осадок. Этот осадок может ухудшать проходимость каналов и вызывать локальные возмущения потока теплоносителя.
Перенос радиоактивности
Основные долгоживущие радиоактивные элементы, образующиеся при активации оболочки, — это 64Мn, 68Со, 60Со. Несмотря на их малые количества, они переносятся натрием и осаждаются на поверхности промежуточного теплообменника и других элементов первого контура. Высокоактивное загрязнение оборудования затрудняет или делает невозможным проведение профилактических и ремонтных работ.
Перенос углерода
Присутствие углерода в стали улучшает ее прочностные характеристики. Атомы углерода весьма подвижны и обнаруживают склонность к миграции в сторону наружной поверхности. Следовательно, углерод может переноситься натрием, как и другие элементы, и осаждаться в более холодных зонах. Свойство стали терять углерод (обезуглероживание) и приобретать углерод (науглероживание) зависит от его концентрации. Холоднодеформированная нержавеющая сталь марки 316 благодаря технологии ее приготовления имеет низкую углеродную активность, иначе говоря, скорость вымывания в ней углерода достаточно мала.
Химическая чистота натрия
В процессе работы реактора обычно осуществляется автоматический контроль чистоты натрия в первом и во втором контурах. Например, регистрируется концентрация кислорода, углерода и водорода. Уровень последнего характеризует выход трития в газовой подушке (в первом контуре), а также наличие течи в парогенераторе (во втором контуре).
Взаимодействие натрия с топливом
При наличии небольших трещин в оболочке происходит взаимодействие натрия с топливом, в результате которого образуются соединения Na8UO4 или Na3PuO4. Их попадание в систему теплоносителя является нежелательным. Имеются также опасения, что эти соединения могут привести к локальному эффекту повышенного распухания и последующему разрушению оболочки в районе первоначальной трещины. Особая проблема возникает в случае расплавления топлива (см. гл. 16).
