Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Физика arrow Физическое материаловедение. Ч. 3. Материалы энергетики и энергосбережения

ГЛАВА 1. МАТЕРИАЛЫ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

В связи с быстрорастущим объемом выработки электроэнергии проблема выбора (и разработки) материалов для ядер- ной энергетики остается весьма актуальной. Применяемые материалы должны работать достаточно длительное время без заметных изменений их эксплуатационных характеристик, чтобы обеспечить необходимую безопасность и экономичность ядерных энергетических установок.

Выбор материалов для элементов и конструкций ядерной техники главным образом определяется их физическими, механическими и химическими свойствами. Немаловажным фактором является и их стоимость.

1.1. Общие требования к материалам ядерной энергетики

К основным физическим свойствам, обусловливающим возможность использования того или иного материала в ядерной технике, относятся сечение захвата нейтронов, а также теплофизические характеристики (коэффициент термического расширения, теплопроводность, теплоемкость, температуропроводность, температура плавления, плотность давления паров и наличие фазовых превращений). Особые требования предъявляются к радиационной стойкости материалов.

Сечение захвата нейтронов является очень важной характеристикой. В случае реактора на тепловых нейтронах конструкционные материалы должны иметь малое сечение захвата тепловых нейтронов, поскольку в противном случае может нарушиться баланс нейтронов в активной зоне. В системах управления и защиты реактора применяют материалы с большим сечением захвата нейтронов.

Теплофизические характеристики во многом определяют выбор материала для использования в реакторостроении, где необходимо добиваться низких значений теплоемкости, коэффициента термического расширения, плотности и высоких значений температуры плавления, теплопроводности. Так, низкий коэффициент теплопроводности приводит к появлению больших перепадов температуры в объеме материала, что, в свою очередь, может создать термические напряжения, угрожающие целостности детали.

В процессе работы материалы, применяемые в активной зоне реактора, подвергаются интенсивному облучению высокими флюенсами нейтронов, что существенно изменяет их эксплуатационные характеристики. Отсюда следует, что реакторные материалы должны обладать высокой радиационной стойкостью.

Механические свойства предопределяют поведение элементов конструкции ядериых энергетических установок - прочность, работоспособность, долговечность и надежность в условиях высоких температур и напряжений. В случае длительной эксплуатации при достаточно высоких температурах (выше 473 К - для сплавов циркония, 473-573 К - для сплавов алюминия, 723 К - для коррозионностойкой стали) и вследствие ползучести материал будет деформироваться при напряжениях, меньших предела текучести. При режимах эксплуатации материала, связанных с цикличностью механических нагрузок, работоспособность будет зависеть от циклической прочности, которая определяется пределом выносливости материала.

Высокая коррозионная стойкость реакторных материалов - необходимое требование, поскольку в процессе эксплуатации они соприкасаются с теплоносителем (водой, газами, жидкими металлами, солями металлов) и ядерным топливом, которые являются коррозионно-активными. Коррозионные процессы могут привести к разрушению материала, например, выделяющийся в процессе коррозии водород вызывает водородное охрупчивание и растрескивание детали. Интенсивное облучение, имеющее место в реакторе, приводит к возрастанию скорости коррозии и связанных с ней эффектов.

Важная характеристика реакторных материалов - совместимость. Материалы считаются совместимыми в конкретных условиях, если химическое взаимодействие между ними либо отсутствует, либо настолько мало, что не изменяет их состав, структуру и свойства. Подобрать совместимые материалы часто бывает трудно, например материал оболочки твэла. В водо-водяном энергетическом реакторе (ВВЭР) оболочка твэла снаружи контактирует с водой и паром, а изнутри - с ядерным топливом и продуктами его деления. Ядерное топливо, в свою очередь, должно иметь высокую радиационную стойкость, теплопроводность и температуру плавления, обеспечивать высокое тепловыделение и выгорание; в нем должны отсутствовать фазовые переходы в области рабочих температур.

В некоторых случаях реакторные материалы должны соответствовать требованиям газоплотности. Это связано с тем, что проникновение газообразных осколков деления через оболочки твэлов или стенки трубопроводов ухудшает радиационную обстановку и усложняет обслуживание оборудования АЭС. Наиболее жесткие требования предъявляются к материалам, используемым в активной зоне реактора. Требования к материалам оболочек твэлов:

  • • механическая прочность, способность противостоять термическим напряжениям и сохранять форму и размеры оболочки;
  • • коррозионная стойкость, сопротивление эрозии в потоке теплоносителя;
  • • совместимость с ядерным топливом, химический состав которого изменяется по мере выгорания;
  • • минимальное значение сечения захвата нейтронов;
  • • высокие теплотехнические характеристики;
  • • высокая радиационная стойкость;
  • • хорошие технологические характеристики.

Корпус реактора должен обладать высокой надежностью для обеспечения его безопасной работы в течение заданного срока. В связи с этим основное требование - прочность при достаточном уровне пластичности. Для уменьшения величины термических напряжений материал корпуса должен характеризоваться хорошей теплопроводностью, низким коэффициентом теплового расширения, стойкостью к коррозии всех видов. Серьезной проблемой является радиационное охрупчивание, поэтому материалу корпуса реактора необходимо иметь высокую радиационную стойкость, хорошие технологические свойства.

Основным требованием к материалу замедлителя и отражателя нейтронов является чистота (особенно для элементов с высоким сечением захвата нейтронов). Для графитовых замедлителей также важны чистота и плотность графита, радиационная стойкость и стойкость к окислению.

Среди требований, предъявляемых к поглощающим материалам системы управления и защиты, можно выделить следующие:

  • • большое сечение захвата нейтронов;
  • • высокая радиационная стойкость;
  • • хорошая коррозионная стойкость;
  • • хорошие жаропрочность и жаростойкость;
  • • высокие прочностные характеристики.

У теплоносителя должны быть малое сечение захвата нейтронов, высокие теплофизические характеристики, хорошая совместимость с материалом твэлов и конструкцией, приемлемая химическая активность.

К материалам, работающим вне активной зоны реактора, также предъявляются определенные требования - хорошие прочностные характеристики, способность противостоять хрупкому разрушению, высокая стойкость к коррозии, эрозии и малоцикловой усталости.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы