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 эрозии (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 таблице 3.2.

Таблица 3.2

Материал	Плотность, г/см3	Температура плавления, С	Коэффициент теплопровод., Вт/(мС)	Сечение поглощения, Барн
Al	2.7	660	210	0.215
Mg	1.74	651	159	0.059
Zr	6.5	1845	23.9	0.180
Нерж. сталь	7.95	~1400 возгонка	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 С.

ЦИРКОНИЙ 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 свойствами. 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 коррозионных свойств.

Дело в том, что цирконий имеет большую активность к водороду и О₂. При Т>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, газе и жидких металлах до 650С.

Понятно, что для реакторов на быстрых нейтронах большое 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 (АМ Первой в мире АЭС, АМБ-100 и АМБ-200 Белоярской АЭС).

ГРАФИТ

Графит используется для оболочек шаровых 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 – Xe, Cr, а карбид кремния – эффективная преграда для твердых осколков деления.