Способ определения порогового коэффициента интенсивности напряжения облученных циркониевых сплавов оболочек тепловыделяющих элементов
Владельцы патента RU 2293380:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр Российской Федерации Научно-исследовательский институт атомных реакторов" (RU)
Изобретение относится к области исследования свойств материалов и предназначено для использования в целях изучения влияния химического состава, текстуры, технологии изготовления, облучения на трещиностойкость при коррозионном растрескивании под напряжением циркониевых сплавов оболочек тепловыделяющих элементов ядерных реакторов в обоснование работоспособности твэлов в режимах изменения мощности реактора. Способ определения порогового коэффициента интенсивности напряжения облученных циркониевых сплавов оболочек тепловыделяющих элементов состоит в том, что из оболочки тепловыделяющего элемента, облученного в ядерном реакторе, вырезают трубчатые образцы и образцы-свидетели. Создают трещины на внутренних поверхностях трубчатых образцов и образцов-свидетелей. Проводят испытания на длительную прочность трубчатых образцов внутренним давлением газа в присутствии коррозионно-активного вещества. Измеряют глубину трещин на образцах-свидетелях, после этого рассчитывают начальный коэффициент интенсивности напряжения. Получают зависимость средней скорости роста трещин от начального коэффициента интенсивности напряжения, по которой определяют пороговый коэффициент интенсивности напряжения. Изобретение позволяет снизить затраты и упростить проведение исследований при сохранении достоверности получаемых результатов. 7 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.
Изобретение относится к области исследования свойств материалов и может быть использовано для изучения влияния химического состава, текстуры, технологии изготовления, облучения на трещиностойкость при коррозионном растрескивании под напряжением циркониевых сплавов оболочек тепловыделяющих элементов (твэлов) ядерных реакторов в обоснование работоспособности твэлов в режимах изменения мощности реактора.
Известен способ определения порогового коэффициента интенсивности напряжения (Исследование скорости роста трещин в оболочках из сплава Zr - 1% Nb в условиях иодидного коррозионного растрескивания под напряжением. Бибилашвили Ю.К., Долгов Ю.Н., Нестеров Б.И., Новиков В.В. / Атомная энергия, февраль 1996, Т.80, С.87-91), по которому вырезают из необлученной оболочки образцы, на внутренней поверхности которых создают несквозную усталостную трещину, внутрь образца загружают йод, заполняют аргоном под давлением, герметизируют, проводят испытания на длительную прочность, фиксируют время испытания, вырезают из образца участок с трещиной, проводят исследования поверхности трещины на растровом сканирующем электронном микроскопе для уточнения исходной геометрии трещины и геометрии трещины в условиях коррозионного растрескивания под напряжением, рассчитывают начальный коэффициент интенсивности напряжения, рассчитывают среднюю скорость роста трещины, строят график зависимости средней скорости роста трещины от начального коэффициента интенсивности напряжения, по которому определяют пороговый коэффициент интенсивности напряжения.
Этот способ позволяет определить пороговый коэффициент интенсивности напряжения для необлученных циркониевых сплавов оболочек твэлов, который можно использовать для оценки трещиностойкости необлученных и на начальной стадии облучения циркониевых сплавов оболочек твэлов. Однако его нельзя применять к этим сплавам после длительного облучения, характерного для твэлов энергетических ядерных реакторов. Кроме того, при этом способе требуется проведение сложных исследований поверхности трещины на растровом сканирующем электронном микроскопе.
Известен способ определения порогового коэффициента интенсивности напряжения (Influence of irradiation on KISCC of Zr - 1% Nb claddings. Bibilashvili Yu.K., Medvedev A.V., Nesterov B.I., Novikov V.V., Golovanov V.N., Eremin S.G., Yurtchenko A.L. / Journal of Nuclear Materials, 2000, Vol.280, P.106-110), по которому вырезают из необлученной оболочки образцы, на внутренней поверхности которых создают несквозную усталостную трещину, образец герметизируют, проводят облучение в ядерном реакторе, разгерметизируют, проводят испытания на длительную прочность внутренним давлением в присутствии йода, вырезают из образца участок с трещиной, проводят исследования поверхности трещины на растровом сканирующем электронном микроскопе для уточнения исходной геометрии трещины и геометрии трещины в условиях коррозионного растрескивания под напряжением, рассчитывают начальный коэффициент интенсивности напряжения, рассчитывают среднюю скорость роста трещины, строят график зависимости средней скорости роста трещины от начального коэффициента интенсивности напряжения, по которому определяют пороговый коэффициент интенсивности напряжения.
Этот способ позволяет определить пороговый коэффициент интенсивности напряжения для облученных циркониевых сплавов оболочек твэлов, однако он требует проведения специального облучения образцов в ядерном реакторе, что дорого и требует значительных временных затрат, кроме того необходимо проведение сложного и дорогостоящего исследования на облученных образцах поверхности трещины в растровом сканирующем электронном микроскопе.
Целью изобретения является снижение затрат и упрощение проведения исследований при сохранении достоверности получаемых результатов.
Поставленная цель достигается тем, что определение порогового коэффициента интенсивности напряжения облученных циркониевых сплавов оболочек тепловыделяющих элементов проводят на оболочке тепловыделяющего элемента, облученного в составе тепловыделяющей сборки в ядерном реакторе. Для этого из оболочки тепловыделяющего элемента вырезают трубчатые образцы и образцы-свидетели. Создают трещины на внутренних поверхностях трубчатых образцов и образцов-свидетелей. Проводят испытания трубчатых образцов внутренним давлением газа в присутствии коррозионно-активного вещества на длительную прочность. На образцах-свидетелях измеряют глубину трещин, после чего рассчитывают начальный коэффициент интенсивности напряжения и получают зависимость средней скорости роста трещин от начального коэффициента интенсивности напряжения, по которой определяют пороговый коэффициент интенсивности напряжения.
Причем трещины на внутренней поверхности трубчатых образцов создают сжимающей диаметральной нагрузкой, которую прикладывают в средней части образцов, до достижения диаметральной деформация трубчатого образца в упругой области от 0,5 до 2%.
Трещины на внутренней поверхности образцов-свидетелей создают сжимающей диаметральной нагрузкой, которую прикладывают по всей длине образцов, до достижения остаточной деформация образца-свидетеля в направлении приложения нагрузки 10-50%.
В качестве коррозионно-активного вещества используют йод. Для расчета начального коэффициента интенсивности напряжения глубину трещины принимают равной средней глубине трещин, измеренных на поперечных шлифах образцов-свидетелей, а длину трещины принимают равной длине участка на трубчатом образце, к которому прикладывалась сжимающая нагрузка.
В заявленном способе определения порогового коэффициента интенсивности напряжения облученных циркониевых сплавов оболочек тепловыделяющих элементов использование трубчатых образцов и образцов-свидетелей, вырезанных из оболочки тепловыделяющего элемента, облучавшегося в составе тепловыделяющей сборки в ядерном реакторе, и выработавшей свой ресурс, позволяет не изготавливать трубчатые образцы с предварительно нанесенной на внутренней поверхности несквозной усталостной трещиной и не проводить их облучение в исследовательском реакторе, время которого (без учета подготовительных операций и изготовления специализированного облучательного устройства) для достижения аналогичных доз облучения, что и в оболочке тепловыделяющих элементов, составляет примерно два квартала в высокопоточном реакторе. Стоимость такого облучения составляет около 3 млн руб. Кроме того, при применении заявленного способа геометрические размеры трещины определяются по металлографическим шлифам образцов-свидетелей, исследованием более простым и дешевым, чем исследование поверхности трещины облученных образцов в растровом сканирующем электронном микроскопе.
Новые существенные признаки заявляемого решения в научной и технической литературе не обнаружены, предложенное решение не следует явным образом из уровня техники, совокупность признаков обеспечивает новые свойства, что позволяет сделать вывод, что заявляемое решение соответствует критерию изобретательский уровень.
На чертеже приведена зависимость средней скорости роста трещины от начального коэффициента интенсивности напряжения K1 при температуре 350°С в оболочке тепловыделяющего элемента из сплава Э110 с выгоранием 44 МВт·сут/кг U.
Способ определения порогового коэффициента интенсивности напряжения облученных циркониевых сплавов оболочек тепловыделяющих элементов был опробован при исследовании сплава Э110.
Из оболочки отработавшего твэла ВВЭР с выгоранием 44 МВт·сут/кг U диаметром 9.1 мм были вырезаны трубчатые образцы длиной 150 мм и образцы-свидетели длиной 10 мм.
В средней по длине части трубчатого образца, на участке длиной 8 мм была приложена нагрузка, которая во время ее приложения привела к упругому уменьшению диаметра образца в направлении приложения нагрузки на 0,1 мм (≈1,1%), а к образцам-свидетелям по всей длине приложили диаметральную сжимающую нагрузку, которая привела к уменьшению размера в направлении приложения нагрузки на 3 мм (≈33%), что привело к растрескиванию хрупкого слоя на внутренних поверхностях трубчатых образцов и образцов-свидетелей, образовавшегося в результате физико-химического взаимодействия с продуктами деления топлива. В результате металлографических исследований поперечных шлифов образцов-свидетелей после деформации была определена средняя глубина трещин на внутренней поверхности, которая составила 11 мкм. Затем были проведены испытания трубчатых образцов на длительную прочность внутренним газовым давлением при температуре 350°С. Перед испытанием внутрь образа помещали 10 мг йода. В качестве нагружающего газа использовали аргон. Параметры испытания приведены в таблице.
| Таблица | ||||
| № обр. | Давление, МПа | Время до разруш., мин | Скорость, 10-5 м/с | K1, МПа·м1/2 |
| 1 | 59 | 6 | 190 | 2,62 |
| 2 | 57,7 | 9 | 130 | 2,56 |
| 3 | 52,5 | 11 | 110 | 2,33 |
| 4 | 46 | 640 | 2 | 2,04 |
| 5 | 52,1 | 24 | 50 | 2,31 |
| 6 | 46,6 | 180 | 6 | 2,07 |
По фактическим параметрам испытания и геометрическим размерам трещин (длина трещин - 8 мм принята равной длине участка приложения нагрузки к трубчатому образцу) была рассчитана средняя скорость роста трещин и в соответствии с методикой (Stress-intensity factors for internal surface cracks in cylindrical pressure vessels. Newman J.C., Raju I.S. / Trans. ASME, Ser. J, J. Pressure Vessel Technol., 1980, Vol.102, P.342-346.) рассчитан начальный коэффициент интенсивности напряжения. По полученным результатам построена зависимость средней скорости роста трещины от начального коэффициента интенсивности напряжения, приведенная на чертеже, и определен пороговый коэффициент интенсивности напряжения, равный 2 МПа·м1/2. Полученный результат совпадает с результатом, полученным для сплава Э110 по способу-прототипу (Influence of irradiation on KISCC of Zr - 1% Nb claddings. Bibilashvili Yu.K., Medvedev A.V., Nesterov B.I., Novikov V.V., Golovanov V.N., Eremin S.G., Yurtchenko A.L. / Journal of Nuclear Materials, 2000, Vol.280, P.106-110), что подтверждает достоверность получаемого с помощью предлагаемого способа значения порогового коэффициента интенсивности напряжения. При этом результат получен при значительном (3,5 млн руб.) сокращении затрат и времени на проведение испытаний (на один год).
1. Способ определения порогового коэффициента интенсивности напряжения облученных циркониевых сплавов оболочек тепловыделяющих элементов, характеризующийся тем, что из оболочки тепловыделяющего элемента, облученного в ядерном реакторе, вырезают трубчатые образцы и образцы-свидетели, создают трещины на внутренних поверхностях трубчатых образцов и образцов-свидетелей, проводят испытания на длительную прочность трубчатых образцов внутренним давлением газа в присутствии коррозионно-активного вещества, измеряют глубину трещин на образцах-свидетелях, после чего рассчитывают начальный коэффициент интенсивности напряжения и получают зависимость средней скорости роста трещин от начального коэффициента интенсивности напряжения, по которой определяют пороговый коэффициент интенсивности напряжения.
2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что трещины на внутренней поверхности трубчатых образцов создают сжимающей диаметральной нагрузкой, которую прикладывают в средней части образцов.
3. Способ по п.2, характеризующийся тем, что нагрузку прикладывают до достижения диаметральной деформации от 0,5 до 2% в упругой области.
4. Способ по п.1, характеризующийся тем, что трещины на внутренней поверхности образцов-свидетелей создают сжимающей диаметральной нагрузкой, которую прикладывают по всей длине образцов.
5. Способ по п.4, характеризующийся тем, что нагрузку прикладывают до достижения остаточной деформации в направлении приложения нагрузки 10-50%.
6. Способ по п.1, характеризующийся тем, что в качестве коррозионно-активного вещества используют йод.
7. Способ по п.1, характеризующийся тем, что глубину трещин измеряют на поперечных металлографических шлифах образцов-свидетелей.
8. Способ по п.1, характеризующийся тем, что длину трещины принимают равной длине участка приложения нагрузки к трубчатому образцу.
