В последнее время для повышения эффективности работы водоохлаждаемых реакторов реакторостроение пошло по пути одновременного увеличения мощности с единицы объема активной зоны при повышенных параметрах воды и удлинения срока работы твэлов. Ведется большая исследовательская работа по созданию стойких твэлов для водяных кипящих реакторов и реакторов с закритическими параметрами пара. В таких реакторах, где температура теплоносителя не превышает 600 °С, для оболочек твэлов требуется коррозионно-стойкий мате-
риал с высокими длительными механическими свойствами. Применение обычной нержавеющей стали в этих условиях ненадежно, в основном из-за плохой коррозионной стойкости под напряжением. Основными причинами образования трещин являются напряжения в металле, присутствие хлоридов, кислорода и водорода в теплоносителе. Устранить в оболочках твэлов напряжения, возникающие при работе реактора, невозможно, поэтому требуется применение материалов, устойчивых к коррозионному растрескиванию под напряжением; к таким материалам относятся стали и сплавы с высоким содержанием никеля.
В табл. 8.18 приведены химический состав и кратковременные механические свойства никелевых сплавов, которые могут быть использованы для оболочек твэлов и других деталей ТВС в различных высокотемпературных реакторах с водяным теплоносителем.
Хорошее качество жаропрочных сплавов с высоким содержанием никеля достигается методами выплавки (электрошлакового или вакуумного переплава), улучшением методов горячей обработки давлением, обеспечивающих однородность структуры готовых изделий, снятием наклепа и другими технологическими приемами.
Были проведены опыты в условиях, близких к условиям работы твэла с повторно-переменным влиянием топлива (таблетки UO2) и давления теплоносителя на деформацию оболочки. Такие условия работы могут ограничить срок службы твэла, работающего при высоких температурах. Результаты опытов по повторно-переменным двуосным деформациям при 700 °С в необлученных тонких трубах из сплавов хастелой X, инконель-600, инкалой-800 и нержавеющей стали 304 и в таких же трубах из тех же сплавов, облученных флюенсом 7-10-23 нейтр/м2 (E>1 МэВ) при той же температуре, показали, что облучение вызвало лишь небольшое изменение срока службы твэлов. Эти данные позволили исследователям предсказать срок службы твэлов в условиях перегрева пара.
Исследовано действие нейтронного облучения на механические свойства никеля и его сплавов. Кратковременные механические испытания никеля до и после облучения в зависимости от температуры (600 °С и выше) выявили резкое падение пластичности у облученного никеля, в то время как у необлученного никеля в этом интервале температур пластичность возрастает, что связано с возвратом свойств деформированного материала.
Таблица 8.18. Химический состав и механические свойства при кратковременных испытаниях жаропрочных никелевых сплавов
Большинство испытаний на длительную прочность были проведены на предварительно облученных образцах никелевых сплавов, и лишь небольшая часть их — непосредственно в реакторе. Например, исследована длительная прочность сплава инконель-600 вне реактора и в реакторе при 815 °С с плотностью потока 3*10+17 нейтр/(м2-с) (E>1 МэВ). Наличие нейтронного поля приводит к снижению напряжения разрушения или же к уменьшению времени до разрушения при постоянном напряжении. При времени до разрушения 10 ч (достигается при флюенсе 1022 нейтр/м2) длительная прочность сплава инконель-600 уменьшается на ~30%. При постоянном напряжении 35 МПа время до разрушения сокращается в 3,5 раза, а деформация — в 2—5 раз. Разрушение облученных образцов происходит по границам зерен..
Исследования предварительно облученных нейтронами никелевых сплавов показали, что длительная прочность и пластичность, как и при испытании непосредственно в реакторе, значительно меньше, чем у необлученных. Этот эффект был исследован на никелевом жаропрочном стареющем сплаве ХН77ThOР (<0,06% С; 19—22% Сг; 2,3—2,7% Ti; 0,5—0,9% Al). Образцы сплава облучали флюенсом (1 -=-3) -1024 нейтр/м2 (E>1 МэВ) при 150—200 °С. Длительная прочность облученных образцов в пределах 500—800 °С уменьшилась в 5—7 раз по сравнению с исходным сплавом. Значительно уменьшилось время до разрушения при заданном напряжении; так, например, при 750 °С и напряжении 350 МПа облученные образцы разрушились сразу, а необлученные — через 30—50 ч. Длительная прочность жаропрочного никелевого сплава ХН77ThOР, облученного флюенсом (1-^3) -1024 нейтр/м2 (E>1 МэВ) при температурах 600 и 800 °С, по сравнению с необлученным резко снижается. Менее чувствителен к нейтронному облучению жаропрочный никелевый сплав ХН60В, содержащий 13—16% W. По сравнению с необлученным сплавом длительная прочность последнего при 800 °С уменьшается только на 20—30%, тогда как у сплава ХН77ThOР при тех же условиях облучения длительная прочность снижается в 6 раз. Сплав ХН77ThOР имеет более неоднородную структуру (наличие интерметаллидов), чем сплав ХН60В, представляющий собой почти однородный твердый раствор. Снижение механических свойств обусловлено появлением новых примесей, возникающих в результате ядерных реакций. Наиболее опасно в отношении ухудшения механических свойств появление в сплаве газовой фазы за счет ядерных реакций.
Хастелой X, упрочненный сплав на основе никеля, облучали и испытывали в широком интервале температур. Установлено, что облучение при 100 °С вызывает заметное повышение прочностных свойств при комнатной температуре. В основном увеличение прочностных свойств хастелоя X происходит при облучении флюенсом ниже 5-10-23 нейтр/м2. Пластичность этого сплава, облученного флюенсом 3,6-1024 нейтр/м2 и испытанного при комнатной температуре, изменялась незначительно. Сильное снижение пластичности при разрыве происходило при более высоких температурах; например, при 650 °С наблюдалось большое падение пластичности даже при флюенсе 8,3-1018 нейтр/м2.
У ииконеля X (с двукратной термообработкой на старение) с увеличением флюенса нейтронов довольно заметно повышается прочность при комнатной температуре. Повышение прочности достигает насыщения при 8,5* 10-23 нейтр/м2. Пластичность еще довольно значительна даже после облучения флюенсом 1,4-1025 нейтр/м2 ниже 100 °С.
Указывалось, что нейтронное облучение увеличивает склонность к разрушению по границам зерен выше 600 °С у сплавов на основе никеля. Высокотемпературное межкристаллитное растрескивание сплава на основе никеля при испытании на ползучесть связывается с присутствием пузырьков гелия (а возможно, и лития) на границах зерен.
На основании экспериментальных наблюдений и некоторых представлений о механизме процессов был сделан вывод, что можно снизить отрицательное воздействие облучения на высокотемпературные свойства сплавов на основе никеля. Снижение содержания бора до значений менее 10-5% путем повторных электронно-лучевых переплавов повышает пластичность стали, облученной тепловыми нейтронами. При облучении быстрыми нейтронами дальнейшее уменьшение содержания бора не оказывает существенного влияния. Пластичность сплавов с мелкозернистой структурой также увеличивается под облучением, хотя, как правило, такие материалы имеют меньшую прочность при высоких температурах, чем сплавы с крупнозернистыми структурами. Уменьшение растягивающих напряжений до уровня ниже критического, вызывающего рост пузырьков на границах зерен, может улучшить высокотемпературные свойства сплава. Изменение в сплавах содержания некоторых элементов, препятствующих образованию гелия, мигрирующего к границам зерен, может уменьшить эффект радиационного охрупчивания.
В то же время необходимо стремиться к тому, чтобы уменьшить содержание в сплаве таких элементов, которые, адсорбируясь на границах зерен, снижают поверхностную энергию и тем самым способствуют облегчению условий разрушения сплава.
