Кольорові метали

21

Сплавы циркония с титаном, хромом, никелем, танталом, железом, медью, оловом, молибденом, ураном, ниобием, алюминием и другими элементами имеют большую прочность и теплостойкость, чем чистый цирконий.

Легирующие элементы, используемые в циркониевых сплавах, не влияют на способность поглощать нейтроны. Исключение составляет элемент гафний, поэтому в циркониевых сплавах для атомных реакторов его содержание должно быть минимальным.

Цирконий и его сплавы применяют в качестве конструкционного материала атомных реакторов из-за совокупности свойств: слабого поглощения нейтронов, высокой технологичности и коррозионной стойкости. Известно, что способность материала поглощать нейтроны характеризуется эффективным поперечным сечением захвата тепловых нейтронов. По этому показателю цирконий занимает третье место после бериллия и магния: у него этот показатель в 20 раз хуже, чем у бериллия.

Наряду с бериллием цирконий и его сплавы служат для изготовления оболочек ТВЭЛ в реакторах, работающих на тепловых нейтронах с температурой в рабочей зоне 430 – 630 °С, а также для изготовления труб теплоносителей, так как химически не взаимодействуют с ними.

В других областях цирконий и его сплавы также применяют. Из-за способности поглощать газы в больших количествах цирконий используют в электровакуумной технике. Фольга, проволока или порошок циркония в лампах поддерживают постоянный вакуум, так как поглощают газы, выделяемые металлическими деталями при нагреве. Цирконий в качестве добавки к чугуну повышает его литейные свойства. Диоксид циркония используют при изготовлении огнеупорных изделий (например, тиглей), тугоплавких стекол, эмалей, глазурей и т. п. Карбид циркония применяют в качестве абразивного материала, а стали, легированные цирконием, – в различных отраслях промышленности.

Ванадий имеет температуру плавления 1900 °С, обладает высокой твердостью, прочностью, коррозионной стойкостью и малым сечением захвата тепловых нейтронов. Поэтому его применяют в атомной, авиационной, космической и других областях науки и техники.

При введении ванадия в сталь увеличивается ее прочность, упругость и усталостная прочность (выносливость), в результате резко улучшается качество брони, рессор, пружин и других подобных изделий. Сплавы ванадия с титаном, ниобием и танталом по жаропрочности превосходят некоторые молибденовые и ниобиевые сплавы.

Ядерное горючее и теплоносители. В качестве горючего в атомных реакторах используют уран и его сплавы, из которых изготовляют стержни ТВЭЛ и помещают их в специальные оболочки, изолирующие горючее от окружающей среды.

Уран имеет температуру плавления 1130 °С . Он очень активен и уже при слабом нагревании загорается на воздухе. Природный уран состоит в основном из двух изотопов 238U и 235U. Первый более тяжелый изотоп

22

расщепляется лишь под действием очень быстрых нейтронов, а второй – под действием медленных нейтронов. Для осуществления управляемой реакции необходимо сильно замедлить движение вторичных нейтронов, заставив пройти их через специальные вещества – замедлители нейтронов. К этим веществам относятся водород (особенно его тяжелый изотоп, называемый дейтерием), углерод в виде графита, бериллий и др.

При применении в атомных реакторах чистого урана проявляются его отрицательные свойства: радиационный рост, газовое разбухание и рост при термических циклах. Чтобы уменьшить эти свойства, уран легируют хромом, молибденом, цирконием, алюминием, ниобием и другими элементами.

Теплоносителями называют вещества, передающие тепло из активной зоны реактора рабочему телу энергетической установки. В качестве теплоносителей применяют воду, инертные газы и легкоплавкие металлы. Последние обладают более высокими теплоемкостью, теплопроводностью и температурой кипения, что усиливает отвод тепла. В результате теплообмен в атомном реакторе проходит при более высоких температурах без изменения давления в системе теплоносителя и, следовательно, увеличивается к. п. д. энергетической установки. При использовании, например, в качестве теплоносителя воды уже при температуре 330 °С в системе возникает давление 10 МПа, что требует усиления трубопроводов и увеличения массы установки.

В качестве металлических теплоносителей применяют ртуть, висмут, литий, натрий, калий, сплав натрия с калием и др.