Требования к конструкционным материалам ядерных реакторов (ЯР)

Требования к конструкционным материалам ядерных реакторов:

• Минимальное сечение захвата нейтронов.

• Механическая надежность.

• Высокая теплопроводность.

• Коррозионная стойкость по отношению к топливу, теплоносителю и продуктам деления.

Механическая надежность обеспечивается прочностью и пластичностью материала, сопротивлением ползучести, виброустойчивостью, стабильностью размеров при циклических режимах работы.

Рассмотрим достоинства и недостатки основных конструкционных материалов ядерных реакторов (табл. 19).

Таблица 19. Физические свойства возможных конструкционных материалов ЯР

Материал	sз, барн	r200^оС, г/см^3	Теплопро-водность, ккал/см·^оС	Tпл, ^0С	Предел прочности, МПа
Al (99.99)	0.215	2.70	0.503		55-110
Be	0.009	1.85	0.430		290-320
Нержавеющая сталь	2.70	7.75	0.055	1480-1510	250-580
Zr (99.9)	0.18	6.52	0.057		180-210
Циркалой-2	0.19	6.55	0.04		205-220
Nb	1.15	8.57	0.125		240-330
Ta	21.3	16.6	0.13		310-480
Mg	0.039	1.74	0.38		185-230

Циркалой 2 – сплав Zr-1.5%Sn + немного Fe, Cr, Ni

Алюминий обладает низким сечением захвата нейтронов, высокой теплопроводностью и малой плотностью и используется в транспортных реакторах. Однако алюминий при 200-300 ⁰С образует сплавы с ураном. По этой причине уран от алюминия отделяют защитным слоем. В качестве недостатка алюминия следует упомянуть низкую температуру плавления. В энергетических реакторах алюминий не используют.

Бериллий имеет низкое сечение захвата нейтронов, малую плотность, высокую теплопроводность, высокие температуры плавления и кипения. Однако он плохо совместим с водой и перегретым паром, хрупок, токсичен. Бериллий в настоящее время рассматривается в качестве перспективного конструкционного материала.

Магний в виде сплава используется в качестве материала оболочки ТВЭЛов в реакторах типа «Магнокс». В реакторах, где теплоносителем является вода, магний не используют из-за низкой коррозионной стойкости. Механические свойства магния ухудшаются с ростом температуры.

Нержавеющая сталь дешева, имеет высокую температуру плавления, высокую прочность и пластичность, хорошо обрабатывается имеет высокую коррозионную стойкость. Сталь является основным конструкционным материалом ядерных реакторов и используется в качестве материала оболочек ТВЭЛов в реакторах на тепловых нейтронах (при этом необходимо использовать более обогащенное топливо) и в реакторах на быстрых нейтронах. Недостатками нержавеющей стали являются относительно высокое сечение захвата тепловых нейтронов, относительно низкая теплопроводность и высокое радиационное распухание.

Цирконий и его сплавы обладают низким сечением захвата тепловых нейтронов, высокой температурой плавления, высокой прочностью и пластичностью, хорошей обрабатываемостью, высокой коррозионной стойкостью и сохраняют механические свойства при облучении. Недостатками циркония являются относительно низкая теплопроводность и высокая стоимость. В настоящее время цирконий – это металл № 1 в конструкции ядерного реактора.

Дата добавления: 2014-01-07