4. Радиационный рост цирконий-ниобиевого сплава

Циркониевые сплавы под действием нейтронного облучения при температурах ≈300°С испытывают не только ускоренную ползучесть, но и анизотропный радиационный рост без приложения нагрузки. Вдоль оси а кристаллы увеличивают свой размер, а вдоль оси с – уменьшают. На рисунке 2.6 проиллюстрирована зависимость деформации радиационного роста от текстуры и флюенса нейтронов.

Рисунок 2.6 - Радиационный рост сплава циркалой-2 при 60°С в зависимости от флюенса облучения и текстуры: 1- медленное охлаждение от 800°С, продольное направление; 2 – закалка от 1020°С, продольное направление; 3 - медленное охлаждение от 800°С, поперечное направление [4]

Для сильно выраженной текстуры происходит удлинение вдоль оси прокатки и сокращение размеров поперек прокатки. Закалка приводит к почти изотропной структуре, для которой наблюдается незначительный рост, переходящий в незначительное сокращение размеров.

При высоких флюенсах облучения для рекристаллизованного материала на зависимости радиационного роста от флюенса появляется излом, радиационный рост резко ускоряется и зависимость становится линейной. На рисунке 2.7 проиллюстрирована эта зависимость для нескольких сплавов.

Чистый Zr в наименьшей степени подвержен радиационному росту. Влияние легирования на радиационный рост неоднозначно. Но, как видно на рисунке 2.7, усложнением состава и разумным варьированием концентраций легирующих элементов можно существенно подавить радиационный рост циркониевых сплавов.

Рисунок 2.7 - Радиационный рост сплавов с различным содержанием Fe, Sn и Nb в зависимости от флюенса нейтронов [11]

Таким образом, при рабочей температуре влияние облучения на сплавы циркония сводится к радиационной ползучести, радиационному росту сплавов и радиационно-водородному охрупчиванию. В условиях реакторного облучения изменение размеров циркониевых изделий и их изгиб из-за радиационной ползучести и роста являются важнейшими факторами, определяющими работоспособность твэлов энергетических реакторов.

Текстура является эффективным средством управления деформационным поведением изделий из циркониевых сплавов. С другой стороны, термообработка изделий, приводя к заметному упрочнению, образует более изотропную структуру, лишая возможности управлять деформационным поведением с помощью текстуры. Правильная комбинация обоих методов управления структурой и текстурой позволит создать циркониевый сплав с требуемыми свойствами.

4. Анализ взаимодействия основы со средой

2.4.1 Взаимодействие основы с теплоносителем

На рисунке 2.8 приведены кривые привесов сплавов Zr с 2-5% Nb, изготовленных из иодидного циркония, при коррозии в воде.

Рисунок 2.8 - Коррозия сплава циркония с 2 - 5% Nb в воде и паре при различных температурах [10]

Как видно из рисунка 2.8, привес при температуре 350°С, близкой к рабочей (310°С) за 7000 часов составляет приблизительно 120 мг/дм².

Коррозия циркония и его сплавов в воде высоких параметров начинается с адсорбции молекул воды поверхностью. Затем молекулы воды диссоциируют на ионы водорода и кислорода, которые частично растворяются в металле.

Цирконий обладает большим сродством к кислороду, поэтому при взаимодействии Zr с ионами О^2- могут образовываться химические соединения: ZrО₂, ZrO и другие при более высоких концентрациях кислорода. На поверхности циркония образуется оксидная пленка, которая является защитной до достижения определенной критической толщины (примерно 3 мкм), при дальнейшем увеличении толщины окисление значительно ускоряется, в пленке образуются микропоры и микротрещины. При толщине пленки 50-60 мкм пленка становится рыхлой, осыпающейся.

Сплав Zr – 2,5% Nb показывает высокую чувствительность к содержанию кислорода в воде. Наличие воздуха в пароводяной смеси при ≈300°С приводит к ускорению коррозии в несколько раз по сравнению со скоростью коррозии в той же среде без воздуха.

Для сплава c 2,5 ат.% Nb характерно замедление коррозии под облучением (все остальные сплавы ускоряют коррозию в нейтронном поле), которое наблюдается в течение достаточно долгого периода времени, а затем эффект пропадает, и далее облучение ускоряет коррозию. Это свойство сплава связано с ролью структуры в процессе коррозии. Нейтронное облучение ускоряет диффузионные процессы, что приводит к более полному эффекту старения сплава, идущего даже при 300°С.

Растворенный в сплаве Zr-Nb водород, образовавшийся после диссоциации молекул воды адсорбированных поверхностью, присутствует в гидридах и в твердом растворе, из которого при охлаждении водород также выпадает в виде гидридов. Гидридные выделения имеют ряд недостатков: они снижают способность материала к пластической деформации и уменьшают его трещиностойкость, приводя к охрупчиванию материала, обладают способностью к переориентации под действием напряжений, что вызывает замедленное гидридное растрескивание. На поглощение цирконием водорода в воде оказывают влияние легирующие элементы и примеси.

В воде примеси некоторых элементов ускоряют коррозию циркония. Причем действие вредных примесей при одновременном их содержании в Zr суммируется, также возможно проявление синергизма.

Коррозионные свойства сплава также зависят от структуры, определяемой термической обработкой. Циркониевые сплавы проявляют высокую коррозионную стойкость в структурном состоянии, при котором содержание Nb в твердом растворе минимально, при высокодисперсном распределении второй фазы. Отжиг ниже монотектоидной температуры приводит к задержке фазы β_Nb и к предельному обеднению α-фазы ниобием, что усиливает коррозионную стойкость сплава. Отжиг при температурах 700-800°С может привести к задержке β-фазы с повышенным содержанием Nb и ухудшению сопротивления коррозии.