Цирконий и его сплавы.

Один из самых широко распространенных материалов, применяемых в конструкции активных зон, - цирконий. В России и за рубежом разработано несколько сплавов циркония, которые используются для оболочек твэлов, труб топливных каналов, различных деталей ТВС.

Цирконий имеет низкое сечение поглощения нейтронов (по этому показателю он уступает только магнию и бериллию) и довольно высокую температуру плавления.

Применяемые сплавы циркония обладают хорошей коррозионной стойкостью в воде, пароводяной смеси, насыщенном и перегретом паре до температуры порядка 350-360⁰С. Механические свойства чистого циркония невысоки. Легированием добиваются наряду с обеспечением достаточной коррозионной стойкости и повышения механических свойств. Так, предел текучести сплава Zr-1% Nb, применяемого для оболочек твэлов, при температуре 20, 200, 300 и 400⁰С соответственно равен 200, 160, 120 и 90 МПа, а сплава Zr-2,5% Nb, применяемого для канальных труб реакторов типа РБМК, при тех же температурах – 280, 220, 200, 180 МПа. Циркониевые сплавы обладают и довольно высокой пластичностью (порядка 20-40%).

К отрицательным механическим свойствам циркониевых сплавов следует отнести их высокую ползучесть при температуре 320-350⁰С и выше. Это свойство необходимо учитывать при конструировании узлов активных зон. Кроме того, цирконий растворяет водород, возникающий в процессе коррозии, при этом образуются гидриды циркония, в результате чего пластичность циркония падает и он может сильно охрупчиваться. Особенно вредны гидриды, расположенные радиально. Соответствующими технологическими методами обработки удается существенно понизить склонность циркония к выделению радиально ориентированных гидридов.

Всесторонние исследования циркониевых сплавов, проведенные за многие годы, позволили обеспечить высокую работоспособность узлов и деталей из них в водоохлаждаемых реакторах.

Нержавеющие стали.

Для реакторов с температурой теплоносителя 500-550^оС (а в некоторых случаях и с более низкой) в настоящее время применяют аустенитные нержавеющие стали типа Х18Н10Т. Такие стали коррозионно-стойки в воде до 360^оС, а в водяном паре и жидких металлах – до 650^оС.

Механические свойства аустенитных нержавеющих сталей как при низкой, так и при рабочей температуре достаточно высокие. Например, предел прочности при 20^оС равен 650 МПа, при 500^оС – 430 МПа, а при 650^оС – 355 МПа, предел текучести при тех же температурах составляет 270, 170 и 160 МПа. Эти стали обладают и высокой пластичностью. Коэффициент относительного удлинения во всем диапазоне рабочих температур не бывает ниже 25-27%.

Теплопроводность хромоникелевых сталей невысока: коэффициент теплопроводности порядка 14-15 Вт/(м×^оС). Недостатком является и сравнительно высокое сечение поглощения тепловых нейтронов – 2,88 б. В технологическом отношении эти стали обладают удовлетворительными свойствам: из них получают нужные профили; они свариваются. Недостаток – большое сечение захвата тепловых нейтронов. Это недостаток не является существенным для реакторов на быстрых нейтронах. Нержавеющие стали используются в БР, реакторах с натриевых теплоносителем.

Графит.

Основной конструкционный материал в высокотемпературных ядерных реакторах – графит, который используется и как замедлитель, и как материал для изготовления оболочек твэлов. Графит имеет сложную структуру. Многие его свойства существенно зависят от кристаллографического направления.

При высокой температуре графит может окисляться и выгорать. С целью предотвращения выгорания графита при эксплуатации необходимо обеспечивать строгое соблюдение газового режима, отсутствие в газе кислорода и других примесей в количествах, выше допустимых. С топливом, которое применяется в высокотемпературных реакторах, графит при рабочей температуре хорошо совместим.

Механические свойства графита сильно зависят от технологии изготовления графитовых узлов и направления приложения усилий. С увеличением плотности прочность повышается. При температуре 20⁰С предел прочности на растяжение может изменяться от 7 до 21 МПа, на сжатие от 21 до 35 МПа, а предел прочности на изгиб – от 7 до 30 МПа. С увеличением температуры прочность графита растет, и при 2800^оС она примерно вдвое выше, чем при комнатной температуре.

Графит имеет высокую теплопроводность, сравнимую с теплопроводностью таких металлов, как бериллий, алюминий, магний, и низкий коэффициент линейного расширения. Сечение захвата тепловых нейтронов графитом в 2 раза ниже, чем бериллием. Графит технологичен. Из него прессованием можно получать изделия различной геометрической формы, он легко обрабатывается механически.

Для обеспечения герметичности графитовых оболочек твэлов используются покрытия из пироуглерода и карбида кремния. Пироуглерод – это форма графита, при которой большинство атомов углерода расположено в виде параллельных слоев. Пироуглерод хорошо задерживает газообраные осколки деления – ксенон, криптон, а карбид кремния служит эффективным барьером для твердых осколков деления.