Твэл реактора типа брест и способ легирования свинца для теплопередающего подслоя твэла

Изобретение относится к области атомной промышленности и может быть использовано при изготовлении тепловыделяющих элементов с теплопередающим жидкометаллическим подслоем или в других областях техники для изготовления изделий, работающих в условиях температурного и коррозионного воздействия жидкого металла. При изготовлении твэла в качестве теплопередающего подслоя используют не чистый свинец, а его сплав с химическими элементами оболочки твэла в количестве, обеспечивающем при температурных и прочих условиях эксплуатации твэла химическое равновесие материала оболочки твэла с контактирующим свинцовым теплопередающим подслоем. Использование предлагаемого изобретения позволяет повысить коррозионную стойкость оболочек твэлов и тем самым увеличить срок их эксплуатации, уменьшить расходы на их изготовление за счет замены дорогого высокочистого свинца на низколегированный. 2 н. и 6 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области атомной промышленности и может быть использовано при изготовлении тепловыделяющих элементов с теплопередающим жидкометаллическим подслоем или в других областях техники для изготовления изделий, работающих в условиях температурного и коррозионного воздействия жидкого металла,

За прототип выбрана конструкция тепловыделяющего элемента (твэла) реактора со свинцовым теплоносителем типа БРЕСТ, который, помимо различных конструктивных элементов, состоит из стальной герметичной оболочки, внутри которой коаксиально размещено уран-нитридное - (UPu)N топливо, в зазоре между ними - теплопередающий подслой из свинца [V.V.Orlov et al, hi proceeding "Heavy liquid metal coolants in nuclear technology", v.2, p.407, Obninsk, 1999].

Конструкция твэла со свинцовым теплопередающим подслоем прототипа обладает недостатками.

Рассмотрим упрощенную конструкцию твэла реактора типа БРЕСТ. В соответствии с проектными данными, приведенными в работах [V.V.Orlov et al, In proceeding "Heavy liquid metal coolants in nuclear technology", v.2, p.407, Obninsk, 1999; P.N.Alekseev et al, In proceeding" Heavy liquid metal coolants in nuclear technology", v.2, p.535, Obninsk, 1999], при эксплуатации на внутренней поверхности оболочки твэла и внешней поверхности ядерного топлива по высоте создается перепад температуры от 530°С до 650°С и от 730°С до 840°С соответственно. В диапазоне этих температур в твэле реактора типа БРЕСТ средняя рабочая температура свинцового теплопередающего подслоя, в зависимости от положения твэла в реакторе относительно центра активной зоны, может колебаться от 690°С до 750°С.

В результате внереакторных испытаний в свинце сталей марок ЭИ 852 и ЭП 823 при температурах 690-700°С в течение 2000 часов было установлено, что при контакте стальной оболочки со свинцом на поверхности оболочки образуется оксидная пленка, через которую компоненты стали диффундируют в свинец. На оболочке в местах, контактировавших со свинцом, были обнаружены зоны, которые в результате коррозии, по сравнению с основным материалом, были обеднены Mn, Ni, Cr, Fe и Si [Полтуховский А.Г., Леонтьева-Смирнова М.В. и др. Разработка 12% хромистых сталей нового поколения для атомной техники России, Российская конференция: "Материалы ядерной техники", сентябрь 2002, г. Агой].

В условиях работы реактора при нейтронном облучении исходное нитридное и вновь нарабатываемое ядерное топливо, металлические осколки деления ядерного топлива (в основном редкоземельные элементы), активные к кислороду, а также образующийся в результате реакции трансмутации ¹⁴N в ¹⁴С-¹⁴N (n, р) водород реагирует с кислородом свинца, что приводит к значительной очистке свинцового теплопередающего подслоя от кислорода. В этих условиях коррозия идет не по механизму окисления, а по механизму растворения, что вызывает интенсивное растворение компонентов стали свинцом, увеличение скорости коррозии на два порядка и изменение свойств стали [I.V.Gorynin et al. In proceeding " Heavy liquid metal coolants in nuclear technology", v.1, p.126, Obninsk, 1999].

После эксплуатации в атомном реакторе опытного твэла с оболочкой из стали ЭП 823, в части оболочки, контактировавшей с теплопередающим свинцовым подслоем, было отмечено образование коррозионной зоны, обедненной по легирующим компонентам стали, что привело к резкому падению пластических характеристик стали до нулевых значений.

Техническая задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в предотвращении селективного растворения компонентов оболочки твэла, изменения химического состава, ухудшения механических и коррозионных свойств оболочки твэла.

Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в твэле реактора типа БРЕСТ, включающем герметичную оболочку твэла, свинцовый теплопередающий подслой, ядерное топливо и другие элементы конструкции твэла, в качестве свинцового теплопередающего подслоя используют свинец, предварительно легированный элементами, входящими в химический состав материала оболочки твэла.

Способ легирования свинца для теплопередающего подслоя твэла реактора типа БРЕСТ элементами, входящими в химический состав оболочки твэла, включает:

- расплавление исходного свинца с добавками мелких частиц материала оболочки твэла,

- выдержку полученной смеси в водородосодержащей среде для удаления кислорода,

- выдержку смеси в неокислительной атмосфере или вакууме для частичного растворения мелких частиц материала оболочки твэла в свинце,

- выдержку смеси при средней рабочей температуре свинцового теплопередающего подслоя твэла для получения требуемого по температуре уровня предельного растворения химических элементов, входящих в состав мелких частиц материала оболочки твэла,

- фиксацию полученного химического состава свинца и отделение его от избытка нерастворившихся частиц материала оболочки твэла.

В частном варианте осуществления способа легирования в исходный свинец добавляют мелкие частицы материала оболочки твэла в количестве, выраженном в массовых процентах, равном сумме бинарных растворимостей в свинце, выраженных в массовых процентах, химических элементов, входящих в состав материала частиц, при средней рабочей температуре свинцового теплопередающего подслоя.

В другом частном варианте - выдержку полученной смеси и свинца в водородосодержащей среде проводят в расплавленном свинце, т.е. выше температуры плавления свинца.

В другом частном варианте - выдержку смеси в неокислительной атмосфере или вакууме проводят при температуре не ниже средней рабочей температуры свинцового теплопередающего подслоя.

В другом частном варианте - выдержку смеси при средней рабочей температуре свинцового теплопередающего подслоя твэла проводят в течение не менее 5 часов.

В другом частном варианте - фиксацию полученного химического состава свинца и отделение его от избытка нерастворившихся частиц проводят путем закалки полученного состава свинца с последующим механическим удалением обогащенного частицами слоя. Закалку проводят с температуры, соответствующей средней рабочей температуре свинцового теплопередающего подслоя.

В другом частном варианте - фиксацию полученного химического состава свинца и отделение его от избытка нерастворившихся частиц проводят путем удаления с расплавленного зеркала свинца обогащенного нерастворившимися частицами слоя с последующим разливом полученного состава свинца в мерные по массе слитки.

При использовании в качестве теплопередающего подслоя твэла сплава свинца, т.е. свинца, легированного элементами материала оболочки твэла в количестве, обеспечивающем при температурных и прочих условиях эксплуатации твэла химическое равновесие масс между материалом оболочки твэла и свинцовым теплопередающим подслоем, исключается возможность какого-либо растворения материала оболочки твэла, так как свинцовый теплопередающий подслой уже насыщен химическими элементами оболочки твэла.

В соответствии с законами термодинамики замкнутая система стремится к равновесию - выравниванию химического состава; в нашем случае применительно к оболочке твэла путем растворения компонентов стали в свинце. Этот процесс продолжается до достижения полного химического равновесия, т.е. до достижения предельной растворимости в свинце химических элементов материала оболочки твэла. Растворение, приводящее к коррозии оболочки, после этого приостанавливается. При этом степень растворения материала оболочки твэла будет зависеть от соотношения масс свинца и оболочки твэла, контактирующих между собой. При увеличении массы свинца и постоянной массе оболочки твэла из оболочки твэла будет растворяться больше по массе элементов оболочки твэла и наоборот. Поэтому состав легированного свинца, используемого в качестве теплопередающего подслоя и обеспечивающего исключение возможности селективного растворения компонентов материала оболочки твэла, зависит от конкретной конструкции твэла, и использование известных сплавов свинца полностью исключается [Тихонов Б.С. Тяжелые цветные металлы и сплавы. Справочник. Том 1, стр.386, М., ЦНИИЭИцветмет, 1999].

В имеющихся литературных данных возможность растворения материала в жидкометаллической среде рекомендуется оценивать по бинарным диаграммам состояний [Ю.Ф.Баландин, В.Г.Марков Конструкционные материалы для установок с жидкометаллическими теплоносителями, Судпромгиз, Л., стр.26, 1961]. На основе бинарных диаграмм состояний можно определить предельную по температуре растворимость каждого из химических элементов стали в процентах и, суммируя их, получить в процентах величину максимально возможного суммарного растворения компонентов стали в свинцовом теплопередающем подслое твэла. В многокомпонентных системах, по сравнению с бинарными, взаимное влияние элементов приводит, как правило, к уменьшению растворимости каждого из элементов.

Так, по данным работы [D.H.Gurinsky, Nuclear Metallurgy, v.2, р.7, 1956] при выдержке хромистой стали в свинце в диапазоне температур 750°С-1090°С отмечается коррозия стали, приводящая к насыщению свинца железом до предельной концентрации за 5 часов, затем содержание хрома со временем увеличивается, а концентрация железа уменьшается. Суммарное количество железа и хрома в свинце достигает при этих температурах определенной величины, характерной для данной системы сталь-свинец.

В работе [B.F.Orlov et al, hi proceeding "Heavy liquid metal coolants in nuclear technology", v.1, p.89, Obninsk, 1999] приводятся результаты эксплуатации контура, изготовленного из нержавеющих Cr-Ni сталей, при максимальной температуре свинцово-висмутового теплоносителя 450°С, из которых следует, что продукты коррозии в свинцово-висмутовом теплоносителе содержат Fe, Cr и Ni в соотношении как 4:1,3:1.

Таким образом, применительно к условиям работы твэла, химический состав свинцового теплопередающего подслоя, исключающий возможность растворения элементов стали оболочки, зависит от конкретных условий: химического состава стали, отношения массы оболочки твэла, контактирующей со свинцом, к массе свинца в подслое твэла, рабочей температуры свинцового теплопередающего подслоя и времени. Предлагаемый способ позволяет изготовить состав свинцового теплопередающего подслоя, исключающий возможность растворения элементов оболочки стали.

Результаты осуществления изобретения иллюстрируются следующим примером.

Исходные параметры коррозионных испытаний были аналогичны условиям эксплуатации твэла реактора БРЕСТ-300, где отношение массы оболочки твэла, контактирующей со свинцовым подслоем, к массе свинца в твэле равно 1:1, а в качестве материала оболочки твэла используют сталь ЭП 823 [P.N.Alekseev et al, In proceeding "Heavy liquid metal coolants in nuclear technology", v.2, p.535, Obninsk, 1999; V.V.Orlov et al, In proceeding "Heavy liquid metal coolants in nuclear technology", v.2, p.407, Obninsk, 1999]. Расчетная средняя рабочая температура свинцового теплопередающего подслоя 690°С. Расчет при легировании свинца проводили следующим способом. По бинарным диаграммам состояний определяли растворимость каждого из химических элементов стали (в массовых процентах) при температуре 690°С и затем суммировали их. Задаваясь необходимым количеством легированного свинца, определяли количество добавляемых опилок из стали ЭП 823.

Коррозионные испытания проводили в трубках из стали ЭП 823, которые заполняли свинцом и выдерживали в печи при температуре 690°С в течение 2000 часов. После окончания выдержки проводили исследование трубок.

В ампулу N 1 помещали трубку из стали ЭП 823, которую заполняли свинцом (ГОСТ 22861-93) с содержанием свинца не менее 99,999 мас.%. В ампулу N 2 помещали трубку из стали ЭП 823 с легированным свинцом.

Изготовление легированного свинца проводили следующим образом.

1. В тигель из стали ЭП 823 помещали свинец с чистотой не менее 99,999 мас.% и мелкие частицы стали ЭП 823 в виде опилок в количестве, равном сумме (в массовых процентах) бинарных растворимостей при температуре 690°С элементов стали в свинце. Чтобы очистить свинец от кислорода воздуха, адсорбированного на поверхности опилок, проводили расплавление свинца и выдержку смеси свинца с опилками при температуре 750°С в течение 10 часов в протоке смеси аргона и 10% водорода. Наличие кислорода в свинце, используемого в качестве теплопередающего подслоя, недопустимо, так как может привести к частичному окислению нитридного топлива и изменению физических характеристик топлива.

2. После охлаждения тигля его помещали в ампулу, которую откачивали, герметизировали и проводили выдержку в вакууме при температуре 750°С в течение 80 часов. В результате этой операции достигали частичного растворения стальных опилок стали ЭП 823, что привело к легированию свинца. Использование для легирования свинца мелких частиц в виде опилок из материала, аналогичного материалу оболочки твэла, значительно упрощает процесс легирования как по составу, так и по времени: развитая поверхность опилок способствует их быстрому растворению в свинце, а использование опилок именно из материала оболочки твэла - нужному составу лигатуры.

3. Затем, чтобы получить предельную растворимость в свинце химических элементов, входящих в состав опилок, именно для средней рабочей температуры свинцового теплопередающего подслоя, проводили выдержку ампулы при температуре 690°С в течение 5 часов. Излишки нерастворившихся опилок, а также выделившиеся в результате снижения температуры с 750°С до 690°С из сплава свинца химические элементы стали располагались на поверхности свинцовой ванны.

4. Чтобы зафиксировать легирующий состав свинца, соответствующий температуре 690°С, была проведена закалка ампулы с этой температуры в воду. После вскрытия ампулы верхний слой свинца в тигле, обогащенный нерастворившимися частицами материала оболочки твэла, механически удаляли.

5. Полученный сплав свинца загружали в трубку из стали ЭП 823 для проведения испытаний.

Проведенные опыты показали:

1. Операцию 1 можно проводить и при других температурах, но не ниже 327°С - температуры плавления свинца. Продолжительность выдержки для очистки свинца от кислорода с ростом температуры уменьшалась.

2. Операцию 2 можно проводить и при других температурах, но не ниже температуры 690°С, так как при температурах менее 690°С не достигается необходимый для эксплуатационных условий предел насыщения свинца элементами материала стали. При использовании температуры менее 750°С продолжительность выдержки для частичного растворения мелких частиц и образования необходимого легирования свинца увеличивается; при температурах более 750°С - уменьшается.

3. Операцию 2 можно проводить не только в вакууме, но и в неокислительной атмосфере: в водородосодержащей или нейтральной среде.

4. Операцию 4 можно проводить и в другой последовательности: провести вычерпывание верхнего слоя расплава и затем зафиксировать полученный химический состав свинца путем разлива свинцового сплава в слитки, по массе равные массе теплопередающего подслоя твэла.

В результате микрорентгеноспектрального анализа шлифов образцов трубки, контактировавшей с чистым свинцом (ампула N 1), было установлено наличие зоны селективного растворения, в которой содержание таких элементов, как Ni, Mn, Cr, Fe и Si, отличалось от основного состава стали.

Результаты микрорентгеноспектрального анализа шлифов образцов трубки, контактировавшей с легированным свинцом (ампула N 2), показали отсутствие зоны селективного растворения: в поверхности, контактировавшей со свинцом, содержание легирующих элементов стали в пределах точности анализа не изменилось.

Таким образом, приведенные результаты испытаний показали, что применение в качестве теплопередающего подслоя соответствующим образом приготовленного легированного свинца позволило предотвратить коррозию стали, что является существенным преимуществом предлагаемого способа защиты оболочки твэла от коррозии при контакте с теплопередающим свинцовым подслоем.

Ввиду идентичности механизмов коррозии сталей в свинце и в других жидкометаллических средах, например в сплаве свинец-висмут или в натрии, предлагаемый способ может использоваться и для защиты оболочки твэла от коррозионного воздействия различных расплавленных металлов.

Использование предлагаемого изобретения позволяет повысить коррозионную стойкость оболочек твэлов и тем самым увеличить срок их эксплуатации, уменьшить расходы на их изготовление за счет замены дорогого высокочистого свинца на низколегированный.

1. Твэл реактора типа БРЕСТ, включающий герметичную оболочку твэла, свинцовый теплопередающий подслой, ядерное топливо, отличающийся тем, что свинцовый теплопередающий подслой выполнен из свинца, предварительно легированного элементами, входящими в химический состав оболочки твэла.

2. Способ легирования свинца для теплопередающего подслоя твэла реактора типа БРЕСТ, включающий расплавление исходного свинца с добавками мелких частиц материала оболочки твэла, выдержку полученной смеси в водородосодержащей среде для удаления кислорода, выдержку смеси в неокислительной атмосфере или вакууме, выдержку смеси при средней рабочей температуре свинцового теплопередающего подслоя твэла в диапазоне 690-750°С, фиксацию полученного химического состава свинца и отделение его от избытка нерастворившихся частиц материала оболочки твэла.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что количество в массовых процентах мелких частиц, добавляемых в свинец, равно сумме бинарных растворимостей, выраженных в массовых процентах, в свинце химических элементов, входящих в состав материала частиц, при средней рабочей температуре теплопередающего свинцового подслоя.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что выдержку полученной смеси в водородосодержащей среде проводят в расплавленном свинце.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что выдержку в неокислительной атмосфере или вакууме проводят при температуре не ниже средней рабочей температуры свинцового теплопередающего подслоя.

6. Способ по п.2, отличающийся тем, что выдержку смеси при средней рабочей температуре свинцового теплопередающего подслоя проводят в течение не менее 5 ч.

7. Способ по п.2, отличающийся тем, что фиксацию полученного химического состава свинца и отделение от избытка нерастворившихся частиц проводят путем закалки свинца с последующим механическим удалением обогащенного частицами слоя.

8. Способ по п.2, отличающийся тем, что фиксацию полученного химического состава свинца и отделение от избытка нерастворившихся частиц проводят путем удаления с расплавленного зеркала свинца, обогащенного частицами слоя, с последующим разливом свинца в мерные по массе слитки.