В водо-водяных исследовательских и энергетических реакторах с температурой до 215 °С в качестве материала оболочек твэлов широкое распространение получили относительно дешевые алюминий и его сплавы, обладающие прекрасными технологическими свойствами, малым сечением захвата нейтронов, высокой теплопроводностью и удовлетворительной коррозионной стойкостью в воде.
Таблица 8.5. Химический состав алюминия и его сплавов, %
Низкие механические и коррозионные свойства алюминия и его сплавов не позволяют использовать их в воде при высоких температурах и давлениях. В настоящее время ведутся обширные и глубокие исследования с целью создания сплавов прочных и коррозионно-стойких в воде до температур 300—350 °С.
В табл. 8.5 приведен химический состав алюминия и некоторых алюминиевых сплавов, перспективных пли применяемых в качестве оболочек твэлов водо-водяных реакторов.
На рис. 8.3 показаны пределы прочности чистого и технического алюминия в сравнении с некоторыми его сплавами в зависимости от температуры испытания; видно, что предел прочности чистого алюминия ниже, чем технического, и намного ниже предела прочности его сплавов. Для работы в качестве оболочек твэлов важны не столько кратковременные механические свойства, сколько длительная прочность и скорость ползучести при повышенных температурах. Высокотемпературные механические свойства алюминия при длительных испытаниях повышаются легированием медью, магнием, марганцем и другими элементами. Такие сплавы после термообработки с дисперсионным твердением обладают высокими длительными механическими свойствами.
Поведение алюминия под влиянием термических циклов в зависимости от температуры и числа циклов описано в работах А.А.Бочвара и сотр. На рис. 8.4 видно, что с увеличением числа термических циклов происходит значительное изменение линейных размеров образцов.
Рис. 8.4. Изменение длины А/ пластин из чистого (/, 3, 4) и технического (2) алюминия, деформированных на 75 %, в зависимости от числа циклов n и верхней температуры цикла (для чистого алюминия):
При выборе сплава алюминия с различными легирующими добавками учитывают не только прочностные характеристики, но и коррозионную стойкость в воде под давлением, и сечение захвата тепловых нейтронов.
Коррозия алюминия высокой степени чистоты (99,99 %) в статических условиях в воде ниже 80 °С протекает в четыре стадии.
На первой стадии происходит рост тонкой бемитовой (а-АЮОН) пленки по логарифмическому закону Am — Ki\g(T—а), где Ат — изменение веса; Ki— константа; Т — время; а — константа, соответствующая индукционному периоду появления кристаллов байерита.
На второй стадии процесс коррозии протекает с образованием и ростом кристаллов байерита (АЦОз-ЗНгО) поверх пленки бемита. Появлению кристаллов байерита предшествует индукционный период, длительность которого зависит от температуры.
Третья стадия наступает сразу после полного покрытия поверхности образцов байеритом. Коррозия протекает по логарифмическому закону, но с меньшей скоростью, чем на первой стадии.
Четвертая стадия наступает через длительное время и характеризуется ускорением коррозии и появлением язв.
Коррозия технического алюминия (Fe+Si^l %) при высоких температурах в статических условиях протекает в три стадии: на первой скорость коррозии замедляется, на второй коррозия идет с небольшой постоянной скоростью и на третьей наступает ускоренная коррозия, сопровождающаяся местным разрушением — межкристаллитной коррозией, язвенной коррозией и образованием пузырей.
С целью увеличения коррозионной стойкости в воде при температурах выше 130 °С в США и других странах были разработаны специальные сплавы алюминия с никелем, например сплав Х8001 (М-388), США, представляющий собой технический алюминий с 1 % Ni и с другими элементами — Fe, Zr, Mg, Si, Си, которые благоприятно воздействуют на коррозионную стойкость алюминия.
Более эффективными легирующими элементами по сравнению с Ni являются Zr, Be, Ti, так как при их использовании наряду со стойкостью к межкристаллитной коррозии, предотвращаемой добавлением никеля, возрастает стойкость к общей коррозии.
При легировании алюминия титаном и цирконием значительно измельчается зерно, катодные включения (интерметаллиды) выпадают в мелкодисперсном состоянии, что приводит к полной поляризации всей контактирующей поверхности металла.
Коррозионная стойкость алюминиевого сплава А288 (США) при температуре более 300 °С выше, чем сплава Х8001. Повышение его стойкости достигнуто за счет снижения содержания примесей (Si и др.) и добавления до 0,1 % Ti, который измельчает зерна алюминия и интерметаллидных частиц в сплаве (рис. 8.5).
На коррозионную стойкость алюминиевых сплавов в смеси воды и пара отрицательное влияние оказывают ионы хлора, сернистый газ, присутствие некоторых катионов, повышение содержания кислорода, наличие щелевого зазора, контакт алюминия с цирконием, медью, графитом и другими материалами, повышение теплового потока.
Под действием облучения пределы прочности и текучести алюминиевых сплавов сильно повышаются, а пластичность практически не изменяется; следовательно, нейтронное поле как бы улучшает механические свойства алюминиевых сплавов. Радиационное упрочнение сплавов алюминия достигается при флюенсе 2 -1025 нейтр/м2.
Низкая стоимость и хорошие технологические и ядерные свойства сплавов алюминия делают проблему их применения в энергетических реакторах с температурой до 300—350 °С исключительно важной. Пока отсутствуют сведения о работающих или запроектированных энергетических водо-водяных реакторах с оболочками твэлов из сплавов алюминия при 300—350 °С.
Рис 8 5. Коррозия в воде при 260—350 °С сплава А288 (сплошные линии) в сравнении с коррозией сплава Х8001 при 350 °С (пунктирная линия)
В то же время имеются отдельные положительные сообщения об испытаниях на коррозионную стойкость опытных образцов алюминиевых сплавов А288 при 300—350 °С.
