книги из ГПНТБ / Ривкин, Е. Ю. Прочность сплавов циркония

Ё. Ю. РИВКИН, Б. С. РОДЧЕНКОВ, В. М. ФИЛАТОВ

ПРОЧНОСТЬ

СПЛАВОВ

ЦИРКОНИЯ

МОСКВА АТОМИЗДАТ 1974

ВВЕДЕНИЕ

Роль атомной энергетики в выработке электроэнергии в на­ шей стране растет из года в год. Миллиона киловатт достигла общая мощность атомных электростанций в 1969 г. На ближай­ шие 10—12 лет XXIV съезд КПСС наметил широкую программу развития сети атомных электростанций, реализация которой начата в девятой пятилетке. До 1975 г. будут построены и вве­ дены в действие атомные электростанции общей мощностью 6— 8 млн. кет, а в течение десятилетия вклад атомной энергетики в народное хозяйство возрастет до 30 млн. кет. Одновременно этот процесс будет сопровождаться дальнейшим удешевлением электроэнергии, производимой атомными электростанциями, в частности, за счет сооружения атомных электростанций с уранграфитовыми реакторами канального типа большой единичной мощности.

При проектировании атомных реакторов необходимо решать ряд сложных технических задач, связанных с расчетом на проч­ ность отдельных элементов. Эта сложность обусловлена, с одной стороны, применением новых, не имеющих широкого распрост­ ранения в машиностроении и слабо исследованных материалов. К таким материалам относятся сплавы на основе циркония, использование которых в атомных реакторах для труб техно­ логических каналов и оболочек тепловыделяющих элементов связано с их низким сечением захвата нейтронов, обеспечиваю­ щим повышенную эффективность процесса получения атомной энергии. С другой стороны, условия нагружения деталей в атом­ ных реакторах также значительно отличаются от встречаю­ щихся в практике эксплуатации . тепловых электростанций. В первую очередь это относится к воздействию нейтронного об­ лучения на материал. Под действием облучения может проис­ ходить потеря пластичности материала, изменение скорости пол­ зучести, изменение размеров и формы деталей и т. п.

Широкое применение в энергетическом реакторостроении нашли сплавы на основе циркония как в нашей стране, так и за рубежом. Это вызвало большое внимание специалистов к этим сплавам, что нашло отражение в большом числе публи­ каций по вопросам прочности, коррозионной стойкости, техно­

3

Глава первая

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ СПЛАВОВ ЦИРКОНИЯ И ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Цирконий занимает двадцать первое место по распростра­ ненности в земной коре, и его запасов значительно больше, чем таких широко используемых в технике металлов, как №, Zn, Си, Sn, Pb, Со и др. Однако практическое применение цир­ кония долгое время было весьма ограничено, что обусловли­ валось главным образом технологической сложностью и высо­ кой стоимостью производства. Разработка промышленного ме­ тода получения пластичного циркония позволила значительно расширить область его практического использования.

Чистый компактный цирконий обладает рядом технически важных свойств. Одним из них является высокая коррозионная стойкость во многих агрессивных средах, что делает цирконий весьма ценным конструкционным материалом для химической промышленности. Однако наиболее значительной особенностью циркония оказались его ядерные свойства. Благодаря замеча­ тельным ядерным характеристикам цирконий из редкого экзо­ тического металла превратился в «конструкционный материал номер один атомного века».

Наиболее ценным ядерным свойством циркония, обусловив­

Только углерод, бериллий и магний имеют более низкие сече­ ния захвата тепловых нейтронов.

Однако сочетание низкого поглощения нейтронов с другими свойствами, необходимыми для конструкционного материала активной зоны атомных реакторов, делает цирконий более предпочтительным. Наряду с низким поглощением нейтронов, цирконий характеризуется относительно низкой активацией при облучении нейтронами, уступая лишь алюминию и магнию.

Конструкционные материалы активной зоны атомных реак­ торов работают в тяжелых условиях, поскольку, наряду с воз­ действием высокой температуры, значительных статических и динамических нагрузок, а также агрессивных сред, они подвер­ гаются облучению частицами высоких энергий, и прежде всего нейтронами, В связи с этим помимо обычных требований,

5

предъявляемых к конструкционным материалам энергетических установок, материалы активной зоны должны удовлетворять также следующим требованиям, обусловленным спецификой ра­ боты под облучением:

1)минимальным сечением поглощения нейтронов;

2)хорошими теплофизическими свойствами (большим коэф­ фициентом теплопроводности, низкой теплоемкостью, малым

коэффициентом теплового расширения и др.);

3)высокими механическими характеристиками (прочностью

ипластичностью при кратковременных испытаниях, длительной прочностью и т. д.), а также термической и радиационной стой­ костью, обеспечивающими надежность работы в условиях высо­ ких температур, нагрузок и облучений;

4)высокой коррозионной и эрозионной стойкостью в рабо­ чих средах;

5)технологичностью (деформируемостью, свариваемостью, литейными свойствами, обрабатываемостью резанием и др.), обеспечивающей возможность изготовления деталей требуемой

формы и размера.

Специфика условий работы ряда узлов активной зоны, а также особенности конструкции атомного реактора могут на­ лагать дополнительные требования к используемым конструк­ ционным материалам и в то же время определять степень же­ сткости выполнения указанных основных требований.

Совокупность отличных ядерных свойств с высокими физи­ ко-механическими характеристиками, коррозионной стойкостью и технологичностью сделали цирконий и его сплавы более пред­ почтительными для использования в качестве конструкционного материала в атомных реакторах на природном и обогащенном уране по сравнению с алюминием, магнием, бериллием, а в некоторых случаях и по сравнению с нержавеющими сталями. К настоящему времени циркониевые сплавы успешно исполь­ зуют в атомных реакторах различного типа и назначения. Пер­ вый опыт использования циркония имел место в конце сороко­ вых годов для оболочек тепловыделяющих элементов (твэлов) атомного реактора типа STR [10].

В пятидесятых годах, наряду с расширением применения для атомных транспортных установок (подводная лодка «Наути­ лус», торгово-пассажирское судно «Саванна» в США, атомный ледокол «Ленин» в СССР), циркониевые сплавы начали успеш­ но использовать в энергетических атомных реакторах. К 1962 г. из 79 энергетических реакторов, описанных в сводной таблице реакторов всех стран мира, в 21 реакторе для оболочек твэлов использовали цирконий и его сплавы [132]. А уже в 1969 г. число энергетических реакторов, в которых циркониевые спла­ вы применялись для оболочек твэлов или других конструктив­ ных элементов активной зоны, составило более 80 [148]. Энергетические реакторы являются в настоящее время основ­

6

ной сферой применения циркониевых сплавов. Известны случаи использования сплавов циркония в исследовательских реакто­ рах [149] и реакторах-размножителях (реакторы «Энрико Фер­ ми», EBR-1 в США [7] и др.).

1.1.ОБОЛОЧКИ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ

ИДЕТАЛИ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ СБОРОК

Одним из основных конструктивных элементов, для изготов­ ления которых цирконий и его сплавы нашли широкое приме­ нение, являются оболочки тепловыделяющих элементов. Обо­ лочки твэлов считаются наиболее ответственными конструк­ ционными деталями активной зоны атомного реактора, посколь­ ку они работают в очень сложных тепловых, механических и

химических условиях.

Оболочки твэлов служат для защиты топлива от коррозии при взаимодействии с теплоносителем, предотвращения загряз­ нения циркуляционного контура реактора частицами ядерного горючего,и продуктами деления и в то же время являются по­ верхностями интенсивного теплообмена. Эти задачи и опреде­ ляют требования, предъявляемые к конструкционному материа­ лу оболочек.

В процессе работы реактора оболочка с внешней стороны контактирует с движущимся с высокой скоростью потоком теп­ лоносителя, с внутренней — с ядерным топливом. Возможность взаимодействия определяет требование высокой коррозионно­ эрозионной стойкости материала оболочек в теплоносителе и совместимости с ядерным горючим. Оболочка работает в усло­ виях сложного напряженного состояния. Напряжения в ней определяются: 1) действием давления теплоносителя; 2) раз­ ностью коэффициентов теплового расширения материала обо­ лочки и топлива; 3) распуханием топлива; 4) давлением газо­ образных продуктов деления топлива; 5) наличием интенсив­ ного теплового потока и возникновением градиента температу­ ры. Коррозионный и механический факторы, действующие на оболочку, взаимно связаны. Так, например, напряженное со­ стояние оказывает влияние на характер и величину химическо­ го взаимодействия, как правило, увеличивая его. Образование продуктов коррозии на поверхности оболочки ухудшает условия теплообмена и приводит к возрастанию температурных напря­ жений. На оба эти фактора в значительной степени влияет облучение нейтронами.

Рассматривая цирконий с позиций указанных требований к конструкционным материалам активной зоны атомных реакто­ ров, можно прийти к выводу, что решающими факторами, опре­ деляющими возможность его использования, будут коррозион­ ные и механические свойства, а также степень их изменения в условиях работы.

7

Цирконий может работать в контакте со многими топлив­ ными композициями. Цирконий совместим с нелегированным ураном и его сплавом с 10% Мо до 500°С, а со сплавом, леги­ рованным 2% Zr или 1,5% Мо, до ~700°С. Хорошая совмести­

со сплавами Zr — (7^22)% U, Nb — 10% U и Nb — 20% U. От­ носительно низкая совместимость у циркония со сплавами А1— 16% U и А1 — 25% U: уже при 500°С между ними начинается взаимодействие. Наибольшее практическое применение цирко­ ний и его сплавы получили в реакторах с керамическим топ­ ливом в виде U02 различной степени обогащения [7]-

Чистый нелегированный цирконий не обладает достаточны­ ми прочностью и коррозионной стойкостью в реакторных тепло­ носителях, и поэтому не нашел широкого распространения. Ле­ гированием удалось значительно повысить коррозионные и ме­ ханические свойства циркония до уровня, требуемого для использования в качестве материала оболочек твэлов. В резуль­ тате исследований, проведенных в СССР и за рубежом, разра­ ботано много сплавов на основе циркония для изготовления обо­

Обладая достаточно высокой коррозионной стойкостью, некото­ рые из них по прочности близки к сталям, например сплавы систем Zr—Nb—Мо, Zr—Nb—Си, Zr—Nb—Sn.

Цирконий и его сплавы характеризуются весьма невысокой стойкостью в большинстве жидкометаллических теплоносите­

значительная склонность к поглощению газов из жидких метал­ лов и связанное с этим нежелательное изменение механических свойств, вызывающее необходимость тщательной очистки тепло­ носителя, а также значительное разупрочнение при темпера­ туре выше 400° С не дают заметного выигрыша при использо­ вании сплавов циркония в реакторах с жидким натрием или эв­ тектикой Na—К по сравнению со сталями. За исключением единичных случаев (реакторы «Энрико Ферми» и EBR-1), цир­ кониевые сплавы для реакторов с жидкометаллическим тепло­ носителем применения не нашли.

Из реакторов с газовыми теплоносителями только в реак­ торах с углекислым газом циркониевые сплавы нашли приме­ нение в качестве материала для оболочек твэлов. Иепользова-

8

ние сплавов циркония для работы в углекислом газе представ­ ляет интерес при температуре выше 400° С, так как при меньшей температуре достаточно успешно работают оболочки твэлов из сплавов магния.

Наиболее перспективными сплавами для реакторов, охлаж­ даемых углекислым газом при температуре 400—550° С, считают сплавы циркония с медью (до 2,5%) и с медью (0,5—1%) и мо­ либденом (0,5—1,5%). В частности, в реакторе EL-4 (Фран­ ция) предполагается использовать оболочки твэлов из сплава циркония с 2,5% меди, а в реакторах типа А-1 и А-2 (ЧССР) — из сплава с медью и молибденом [38]. На работоспособность сплавов циркония в углекислом газе в интересующем интерва­ ле температуры существенное влияние оказывает процесс ра­ створения в металле окисной пленки, образующейся в резуль­ тате окисления, и связанное с ним кислородное охрупчивание. Этот фактор и коррозионная стойкость ограничивают использо­ вание сплавов циркония в углекислом газе при более высоких параметрах.

Весьма ограничено применяются сплавы циркония для обо­ лочек твэлов в реакторах с органическими теплоносителями из-за опасности чрезмерного наводороживания и охрупчи­ вания в процессе службы. Однако исследования последних лет, проведенные в Канаде [45, 46], вселяют надежду на возмож­ ность расширения применения сплавов циркония в реакторах с органикой. Установлено, что наличие в теплоносителе из смёси полифенилов (Santowax или HY-40) небольшого количества воды (до 0,01 об. %) и ограничение содержания хлора (до 0,0002 об. %) обеспечивает допустимые скорости наводорожи­ вания, не нарушающие работу оболочек. В качестве материала оболочек твэлов реактора WR-1 (Канада) используется сплав Zr—2,5% Nb, при этом максимальная температура стенки обо­ лочки достигает 460° С. Срок работы таких твэлов пока не пре­ вышает 1,5 года. Применение в качестве материала оболочки сплава оженит-0,5, характеризующегося значительно меньшей скоростью поглощения водорода, позволит, как полагают, уве­ личить срок службы твэлов до 4 лет и поднять температуру до

480° С [45].

Наибольшее использование циркониевые сплавы получили в реакторах с пароводяным теплоносителем. Большинство энер­ гетических реакторов охлаждаются именно водой высокого дав­ ления (обычной и тяжелой), служащей одновременно и замед­ лителем.

В настоящее время наиболее широкое применение для обо­ лочек твэлов нашли сплавы типа циркалой (циркалой-2 и 4) за рубежом и сплав Zr—1% Nb в СССР. Об эксплуатации твэлов с оболочками из этих сплавов накоплен большой опыт и уста­ новлены многие особенности их поведения.

9