3.3.Конструкционные материалы

Очень ответственной деталью, непосредственно прилегающей к топливу, является оболочка твэла. Оболочки твэлов работают в сложных условиях высоких температур и активных сред. Самый главный вредный фактор - все виды излучения, возникающие в реакторе, проходят через оболочку либо от топлива наружу твэла, либо извне твэла к топливу. Кроме того, оболочки могут изнашиваться от воздействия дистанционирующих и других узлов, с которыми контактируют твэлы, подвергаться коррозии и эррозии (вымыванию) как со стороны теплоносителя, так и со стороны топлива (например, под воздействием продуктов деления).

На наружных поверхностях оболочек могут откладываться продукты кор­розии других элементов реактора.

Основные требования к материалам оболочек.

1. Низкое сечение захвата нейтронов в рабочем спектре реактора.

2. Коррозионная и эрозионная стойкость в теплоносителях при заданных параметрах, совместимость с топливом и продуктами деления.

3. Высокая теплопроводность.

4. Удовлетворительные механические свойства (прочность, пласти­чность, ползучесть) с учетом воздействия излучений, вызывающих изменения этих свойств.

5. Технологичность, т.е. возможность изготовления труб и других требуемых профилей, свариваемость и т.д.

6. Экономичность и доступность.

В дальнейшем нам понадобятся параметры некоторых конструкцион­ных материалов, приведенные в табл. 3.2.

Таблица 3.2

материал	Плотность г/см^3	Температ. Плавления ^оС	Коэффиц. Теплопр. Вт/(м,с)	Сечение Поглощ. барн
Al	2.7	660	210	0.215
Mg	1.74	651	159	0.059
Zr	6.5	1845	23.9	0.180
Нерж.ст.	7.95	~1400	14.6	2.880
графит	1.65	~3650	130-170	0.0045

АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ

Алюминий и его сплавы обладают очень высокой теплопроводностью и малым сечением захвата тепловых нейтронов, стойки в воде. Могут использоваться при температурах до 300°С. Поэтому используются в низкотемпературных (например, исследовательских, бассейнового типа) реакторах, в том числе в контакте с металлическим ураном.

МАГНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ

Магний и его сплавы имеют низкое сечение поглощения нейтронов, высокую теплопроводность, достаточно дешевы и доступны. Например, сплав магнокс (легирование ~0.6% Zr, 0.8% Al) имеет неплохие механи­ческие и коррозионные свойства. Однако магний и его сплавы нестойки в воде.

Поэтому в водяных реакторах не применяются. Основное приме­нение магнокс получил в газоохлаждаемых реакторах, где теплоно­ситель - CO₂ (английские и французские реакторы с металлическим ураном в качестве топлива). Применяется при температурах до 400°C.

ЦИРКОНИЯ И ЕГО СПЛАВЫ

Цирконий и его сплавы очень хороши для реакторов на тепловых нейтронах. У них достаточно низкое сечение захвата тепловых нейтро­нов и неплохая теплопроводность.

Но чистый цирконий не обладает хорошими механическими свойства ми. Поэтому его легируют ванадием и/или ниобием. Сплав циркалой, применяемый в российской ядерной энергетике - это Zr+(1-3)%Nb. Леги­рованием добиваются улучшения не только механических, но и коррози­онных свойств.

Дело в том, что цирконий имеет большую активность к водороду и

O₂. При T-400°с возникает бурная реакция с водородом: Zr растворяет водород и образуются гидриды циркония, в результате чего исходный материал сильно охрупчивается. Специальной технологией эта склон­ность снижается. Но этот недостаток устранить полностью практически невозможно. Тем не менее, циркалой широко применяется в реакторах типа ВВЭР и РБМК.

НЕРЖАВЕЮЩИЕ СТАЛИ

У сталей хорошие механические свойства, но меньший, чем у дру­гих материалов, коэффициент теплопроводности и очень высокое сечение захвата тепловых нейтронов. Они коррозионно стойки в воде до 360°С, а в водяном паре, газах и жидких металлах до 650°С.

Понятно, что для реакторов на быстрых нейтронах больное сечение захвата тепловых нейтронов особого значения не имеет. Поэтому нержа­веющие стали - основной конструкционный материал для таких реак­торов. Был неплохой опыт их использования и в реакторах на тепловых нейтронах (AM Первой в мире АЭС, АМБ-100 и АМБ-200 Белоярской АЭС).

ГРАФИТ

Графит используется для оболочек паровых твэлов в высокотемпе­ратурных газоохлаждаемых реакторах. Высокая теплопроводность и очень низкое сечение захвата тепловых нейтронов - большое достоинство это­го материала. Графит технологичен. Из него прессованием можно получать

изделия различной геометрической формы, он легко обрабатывается механически. С топливом графит хорошо совместим. Однако ему требу­ется строгое соблюдение газового режима, т.к. графит выгорает.

Для обеспечения герметичности графитовых оболочек твэлов используются покрытия из пироуглерода (PyC) и карбида кремния (SiC). Пироуглерод - форма графита, при которой большинство атомов располо­жено в виде параллельных слоев. Он хорошо задерживает газообразные продукты деления - Хe, Сr, а карбид кремния - эффективная преграда для твердых осколков деления.