• Ешқандай Нәтиже Табылған Жоқ

1.2. Условия работы, повреждения и требования, предъявляемые

1.2.4. Требования, предъявляемые к материалам активной зоны

ядерного реактора работают оболочки ТВЭЛов. Для меньшего поглощения нейтронов оболочки ТВЭЛов делают минимальной толщины. В процессе ра- боты материал оболочек может подвергаться деформации из-за радиацион- ного повреждения ядерного топлива. Вследствие большого перепада темпе- ратуры в оболочке возникают термические напряжения. Материал оболочки должен выдерживать термические циклы, а также быть коррозионностойким в теплоносителе и совместимым с топливом при рабочих температурах.

Находясь в активной зоне, материал оболочки подвергается действию излу-

32

чения, что может существенно повлиять на его физико-механические свой- ства.

В активной зоне реактора размещаются узлы и детали крепления ТВЭ- Лов, а также технологические каналы, в которых находятся ТВЭЛы. Эти уз- лы и детали могут испытывать значительные механические нагрузки, гид- равлические удары, подвергаться эрозии и коррозии. Тем не менее условия эксплуатации этих узлов и деталей более легкие, чем у оболочек ТВЭЛов.

Если какой-либо материал годен для изготовления оболочек ТВЭЛов, то из него можно изготовить и другие конструкционные элементы активной зоны.

Среди разнообразных требований, предъявляемых к материалу оболо- чек ТВЭЛов, можно выделить главные:

­ минимальное сечение захвата нейтронов;

­ механическую надежность, постоянство формы и размеров оболо- чек и тем самым ТВЭЛа в целом;

­ высокую теплопроводность, обеспечивающую длительную тепло- передачу без чрезмерно высоких термических напряжений в оболочке;

­ высокую коррозионную и эрозионную стойкость в теплоносителе;

­ совместимость с ядерным топливом.

При определении требований к материалу оболочек ТВЭЛов необхо- димо учитывать особенности данного реактора. В случае применения в каче- стве ядерного горючего природного необогащенного урана требование ми- нимального захвата нейтронов становится главным. В случае применения обогащенного топлива в качестве материалов оболочек могут использоваться материалы с более высоким сечением захвата нейтронов, например, коррози- онностойкие стали.

Сочетание высокой теплопроводности с требованием надежного охла- ждения оболочек ТВЭЛов для всех видов теплоносителей является одним из условий безаварийной и безопасной работы реактора. Высокая теплопровод- ность материала оболочки и контактных слоев ее с ядерным топливом необ- ходима для снижения разности температуры между теплоносителем, самой оболочкой и топливом. Градиент температуры в оболочке может вызвать термические напряжения, достигающие нескольких МПа.

Для оболочек ТВЭЛов, работающих при температурах 500°С и выше, существенными становятся прочностные характеристики материала. В этом случае материал оболочки должен быть жаропрочным.

В кипящем реакторе на поверхности ТВЭЛов концентрируются приме- си, содержащиеся в воде, что увеличивает ее коррозионную агрессивность.

Материал оболочек в этом случае должен быть коррозионностойким, осо- бенно по отношению к местным видам коррозии, например язвенной и кор- розии под напряжением. Вопрос о коррозионной и эрозионной стойкости оболочки ТВЭЛов в теплоносителе и о ее совместимости с ядерным топли- вом принадлежит к наиболее сложным и важным проблемам эксплуатации

ядерных реакторов. Коррозионные процессы протекают при высоких темпе- ратурах, больших скоростях теплоносителя, при наличии больших тепловых потоков и механических напряжений в металле. Изменение свойств металла и состава теплоносителя под действием радиации осложняет эти условия.

Для оценки механической надежности оболочки наиболее важны сле- дующие характеристики материала:

­ прочность и пластичность при кратковременных испытаниях;

­ длительная прочность и сопротивление ползучести;

­ предел усталости при рабочих температурах;

­ стабильность размеров оболочки при циклических изменениях температуры.

Необходимо также учитывать изменение этих характеристик под влия- нием облучения.

Для получения необходимой информации о свойствах материалов в условиях эксплуатации проводят испытания на образцах-свидетелях, уста- новленных в корпусе реактора.

Безаварийная работа реактора канального типа во многом зависит от надежности работы каналов. Разрушение стенки канала вследствие коррозии, эрозии или кавитации приводит к попаданию теплоносителя в графитовую кладку, что существенно изменяет нейтронный баланс в реакторе и нарушает его нормальную работу. Изменение геометрической формы канала вслед- ствие ползучести материала может привести к заклиниванию канала в графи- товой кладке – что затрудняет замену технологических каналов при пере- грузках реактора.

Ползучесть сама по себе создает опасность разрушения канала. Мате- риал каналов не должен наводороживаться, ибо это создает опасность хруп- кого разрушения. Материал, из которого изготавливают технологические ка- налы и каналы системы управления и защиты, должен быть прочным, проти- востоять ползучести, обладать высокой коррозионной и эрозионной стойко- стью, не охрупчиваться.

Замедлитель и отражатель нейтронов. Материал замедлителя и отража- теля должен содержать минимальное количество примесей, особенно эле- ментов с высоким сечением захвата нейтронов. В реакторах с графитовым замедлителем изменение размеров графитовых блоков и втулок вследствие радиационного роста или усадки затрудняет замену канала. Отсюда вытекает требование высокой радиационной стойкости графита и стойкости к окисле- нию. Весьма важны для физики реактора плотность и чистота графита.

Поглощающие материалы системы управления и защиты (СУЗ). По- глощающие материалы должны иметь высокое сечение поглощения тепло- вых нейтронов. Для реакторов на тепловых нейтронах используются почти

«черные» стержни. Обычно тело считается «черным» для тепловых нейтро- нов, если поперечное сечение поглощения тепловых нейтронов много боль- ше поперечного сечения рассеяния.

34

В ряде случаев необходимо поглощать надтепловые нейтроны. Напри- мер, гафний считают «черным» вблизи резонансов поглощения, которые у гафния расположены при энергиях 1; 1,2; 2,38 и 7,8 эВ. Подобно гафнию большинство надтепловых поглотителей – резонансного типа. Одним из ме- тодов повышения эффективности регулирующего стержня является изготов- ление его из смеси поглотителей, подобранных таким образом, чтобы резо- нансные максимумы одного лежали между резонансными максимумами дру- гого. К такому типу поглотителей относятся сплавы Cd, Ag, In и смеси редко- земельных элементов. При поглощении нейтронов в результате протекания ядерных реакций в стержнях выделяется энергия, приводящая к их разогреву.

В поглотителях, где протекает реакция (n, α), практически вся энергия ядер- ной реакции поглощения выделяется в регулирующем стержне. В поглотите- лях, где идет реакция (n, ), значительная часть энергии вместе с -злучением уносится из стержня. В обоих случаях в реакторах ВВЭР с высокой плотно- стью энерговыделения количество тепла, генерируемого в стержнях, может быть очень высоким. В связи с этим необходимо обеспечить охлаждение стержней. При наличии защитной оболочки на стержне должен быть создан хороший тепловой контакт между материалом поглотителя и оболочкой для надежного отвода тепла через оболочку.

Эффективность стержней в работающем реакторе изменяется в течение кампании. Постепенно за счет протекания ядерных реакций выводится зна- чительное количество ядер поглощающего материала. В ряде случаев эффек- тивность стержней мало изменяется при выгорании поглощающего нуклида.

Это происходит в том случае, когда продуктом ядерной реакции в стержне является стабильный и долгоживущий нуклид с большим сечением захвата.

К числу таких материалов можно отнести диспрозий и европий.

Материалы СУЗ должны обладать большим сечением поглощения нейтронов и в ряде случаев в широком спектре энергий нейтронов. Материа- лы должны быть радиационно-стойкими.

Изменение геометрии поглощающих материалов может вывести из строя систему управления и защиты. С экономической точки зрения выгодно применять неохлаждаемые каналы СУЗ. В связи с этим материал поглощаю- щего элемента и его оболочка должны быть жаропрочными и стойкими к коррозии при высокой температуре.

Металлоконструкции канальных реакторов. В канальных реакторах с графитовым замедлителем материалы, из которых изготовлены конструкции, находящиеся в активной зоне, работают при высокой температуре в условиях интенсивного облучения. К этим материалам предъявляются требования жа- ропрочности и радиационной стойкости.

В реакторах ВВЭР материалы конструкций под действием теплоноси- теля могут подвергаться коррозионным и эрозионным воздействиям, поэтому эти материалы должны быть коррозионно- и эрозионно- стойкими с малым сечением захвата нейтронов.

Корпус реактора. Корпус реактора и крышка в рабочих условиях под- вергаются воздействию механических напряжений вследствие избыточного давления в реакторе, термических нагрузок в стационарных и особенно в не- стационарных температурных режимах, вибрационных нагрузок, а на транс- портных установках, кроме того, действию ударных нагрузок. Материал кор- пуса, находясь в условиях всех видов облучения, должен иметь высокую прочность при достаточном уровне пластичности. Облучение корпуса реак- тора в течение всего периода работы не должно вызывать охрупчивания ма- териала. В связи с этим выдвигается требование высокой радиационной стойкости. Материал корпуса должен иметь хорошую теплопроводность и низкий коэффициент теплового расширения, чтобы не возникали высокие температурные напряжения, а также должен быть стоек к малоцикловой усталости.

Материал корпуса должен быть стойким к коррозии. Загрязнение теп- лоносителя радиоактивными продуктами коррозии ухудшает радиационную обстановку и усложняет обслуживание и ремонт оборудования. Местная коррозия может привести к возникновению концентраторов напряжений в металле и увеличению вероятности его разрушения. Наводороживание, осо- бенно в сочетании с облучением, может вызвать охрупчивание материала корпуса. Для уменьшения коррозионных процессов материала корпуса на его внутренней поверхности, соприкасающейся с теплоносителем, делается наплавка толщиной 8-12 мм из коррозионностойкого материала. Эта наплав- ка также уменьшает возможность наводороживания корпуса реактора.

Материал корпуса должен быть технологичным и хорошо свариваться в больших толщинах. Высокий уровень местных напряжений в сварных со- единениях требует последующей термической обработки. Термическая обра- ботка корпуса, имеющего значительные габариты, вызывает серьезные труд- ности.

Следует отметить также, что высокая прочность материала корпуса ре- актора позволяет снизить его массу и габариты, что в ряде случаев крайне важно.

1.2.5 Требования, предъявляемые к материалам оборудования,