Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов - Бериллий и его сплавы

Хорошие ядерные и физические характеристики — малое сечение захвата нейтронов, высокая способность замедлять и отражать нейтроны, низкая плотность, высокая прочность и теплопроводность, относительно высокая температура плавления, небольшой коэффициент термического расширения — позволяют считать бериллий наиболее ценным реакторным материалом, в частности хорошим контактным материалом для дисперсионных твэлов.
Металлический бериллий в настоящее время широко используют в качестве материала деталей и узлов отражателя и замедлителя исследовательских реакторов типов СМ-2, МИР, ВВР, а также энергетических реакторов на тяжелой воде.
Применение бериллия в ядерных реакторах позволяет уменьшать критическую массу топлива и тем самым, что очень важно, уменьшать габариты ядерного реактора.
Однако наряду с положительными свойствами бериллий имеет большие недостатки. Металл, редкий и дорогой, хрупкий и весьма токсичный, обладает высокой химической активностью, и герметизация оболочек из него осуществляется с трудом
Детали из бериллия изготовляют либо методом классической порошковой металлургии (прессование порошков и спекание), либо методом обработки давлением заготовок из спрессованных порошков при повышенных температурах.
Исходным продуктом для изделий служит технический бериллий, полученный восстановлением его фторида магнием или электролизом смеси хлоридов бериллия и натрия. Полученные восстановлением металлотермические корольки или электролитические чешуйки бериллия сильно загрязнены примесями (до 0,2%), ухудшающими механические свойства и коррозионную стойкость металла. Для удаления примесей применяют очистку вакуумной плавкой корольков с редкими металлами с последующим удалением их из бериллия или методом вакуумной дистилляции из чешуек, полученных электролизом. Для получения высокочистого бериллия (<1-10“4% примесей) применяют очистку путем перевода бериллия в органометаллические соединения с последующим термическим разложением.
Для получения бериллия с малым содержанием железа, сильно ухудшающим его механические свойства, исходные гранулы или чешуйки растворяют в жидком алюминии или сплаве его с кремнием (цинком, магнием), проводят кристаллизацию при повышенной температуре, отделяют примеси фильтрацией или центрифугированием. Операцию повторяют дважды, затем фильтрат при 750—1100°С подвергают вакуумной дистилляции. Такая сложная очистка позволяет снизить содержание железа в бериллии с 0,81 до 0,04%.
Литейные методы изготовления изделий из бериллия не получили широкого распространения, так как бериллиевые отливки всегда содержали крупные зерна и трещины. Литьем можно изготовлять только такие детали, механические свойства которых не имеют большого значения.
С целью получения мелкозернистого литого сплава в бериллий вводят небольшое количество добавок карбида вольфрама или диборида титана, которые при затвердевании сплава служат дополнительными центрами кристаллизации.
Наиболее высокими механическими свойствами и однородностью структуры обладают изделия, полученные горячим прессованием в вакууме с плотностью 99% теоретической.
В настоящее время нет сведений о надежных способах герметизации оболочек твэлов из бериллия плавлением с удовлетворительными механическими свойствами сварных швов. Литой бериллий в месте сварного шва имеет крупнозернистую структуру с плохими механическими характеристиками. Для прочного соединения бериллия используют диффузионную сварку через нанесенный на бериллий слой из Си, Ag или Ni под давлением с нагревом в высоком вакууме.
Для соединения изделии из бериллия между собой или с другими металлами применяют также пайку. При высоких температурах бериллий легко диффундирует в другие металлы и вызывает в шве диффузионную пористость. Для соединения бериллия с нержавеющей сталью применяют титан, который образует с бериллием эвтектику.
Уменьшить хрупкость бериллия легированием трудно из-за малых размеров его атомов; это сводит к минимуму число элементов, способных образовать с ним твердые растворы.
Повышение коррозионной стойкости бериллия в CO2 и паре при повышенных температурах достигается при введении 0,25—0,95% кальция.
Для улучшения механических свойств этого сплава дополнительно бводят 0,1—2% циркония, ниобия или титана. Коррозионная стойкость в сухом и влажном CO2 при повышенных температурах и давлениях до 6 МПа достигается введением в бериллий небольших количеств магния.
Коррозионная стойкость бериллия в воде при температуре 300 °С и выше сильно колеблется в зависимости от химического состава и технологии изготовления, и часто наблюдают резкое увеличение скорости коррозии, приводящей к разрушению.
В настоящее время большое внимание обращено на получение сплавов бериллия с алюминием, обладающих высокой и равномерной пластичностью. Такие сплавы получают методом порошковой металлургии; микроструктура сплава после горячей обработки давлением представляет собой мелкие частицы бериллия в сплошной непрерывной алюминиевой матрице. Если к этому сплаву добавить небольшое количество магния, то структура сплава будет представлять собой равномерно диспергированные частицы бериллия в матрице из сплава Al—Mg.
Бериллий в ядерном реакторе испытывает воздействие нейтронного потока высокой интенсивности и мощного потока Y квантов, в результате чего по реакциям в нем образуются радиационные дефекты и продукты ядерных реакций, основными из которых являются газообразные гелий и тритий.
Облучение бериллия флюенсом до 10²⁵ нейтр/м2 при температурах 350— 600 °С приводит к упрочнению (повышение предела текучести) и снижению его пластичности. Облучение бериллия при температурах выше 600 °С приводит к снижению его прочностных характеристик. Это связано с зарождением и ростом большого количества газовых пузырьков по границам зерен.
В заключение необходимо отметить, что в настоящее время ведутся большие работы по созданию бериллиевых сплавов и разработке надежной технологии получения конструкционных изделий для твэлов и сборок из них; отрабатываются технологические операции по сварке и пайке и другие виды операций. Но широкое использование замечательного реакторного материала пока задерживается из-за высокой стоимости, низкой пластичности и сильной токсичности.