Оболочка тепловыделяющего элемента реактора на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем

Изобретение относится к атомной энергетике, в частности к оболочкам тепловыделяющих элементов атомных реакторов, и предназначено для увеличения параметров работы и ресурса активной зоны реактора, обеспечения максимального выгорания ядерного топлива, повышения надежности и безопасности эксплуатации атомных электростанций. Оболочка тепловыделяющего элемента реактора на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем содержит металлическую трубу из ванадиевого сплава и включает титан, хром и неизбежные примеси. Наружняя и внутренняя поверхности трубки покрыты нержавеющей ферритной сталью. Компоненты ванадиевого сплава находятся в определенном соотношении. В частности соотношение титана к хрому выбрано в пределах от 2,2 до 1,8. Между ванадиевым сплавом и нержавеющей ферритной сталью сформирован переходный слой твердого раствора ванадиевого сплава с нержавеющей ферритной сталью толщиной от 6 до 8 мкм. Изобретение направлено на повышение радиационной и коррозионной стойкости, структурной стабильности, улучшение прочностных свойств и жаропрочности оболочки тепловыделяющего элемента реактора на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем. 2 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к атомной энергетике, в частности к оболочкам тепловыделяющих элементов атомных реакторов на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем, и может быть использовано для увеличения параметров работы и ресурса активной зоны реактора, обеспечения максимального выгорания ядерного топлива, повышения надежности и безопасности эксплуатации атомных электростанций.

Известна оболочка тепловыделяющего элемента, выполненная из материала - стали аустенитного класса. Эта сталь имеет удовлетворительное сочетание прочности, жаропрочности (до температур ˜650°С), коррозионной стойкости, хорошей технологичности и освоенности в промышленности [С.Н.Вотинов, И.С.Головнин, В.П.Колотушкин. Проблемы разработки перспективных материалов для оболочек твэлов реакторов на быстрых нейтронах, в Сб. Атомные электрические станции России. 60 лет атомной промышленности. Москва, 2005, с.313-335] (таблица).

Для этого материала оболочки характерны склонность к высокотемпературному радиационному охрупчиванию (ВТРО) и вакансионному распуханию, что не позволяет с требуемой эффективностью (глубина выгорания топлива ≥17% т.а., температура ˜750°С) использовать его в системах с жидкометаллическим теплоносителем, в частности, с натрием или свинцом.

Жаропрочные свойства феррито-мартенситных, аустенитных сталей и ванадиевых сплавов
Материал, содержание элементов	Длительная прочность σдп на базе 10000 ч в зависимости от температуры
	Температура, °С
	500	550	600	650	700	750
	Длительная прочность, МПа
Феррито-мартенситные стали:
12% Cr, 1% Mo, W, V
	200	150	60	-	-	-
Аустенитные стали:
16% Cr, 15% Ni, 0,5% Nb,	-	160	110	80	40	-
0,004 В
Сплавы системы V-Ti-Cr:
92% V, 4% Ti, 4% Cr	-	370	230	180	140	100
85% V, 10% Ti, 5% Cr	-	-	300	-	180	-

Известна оболочка, выполненная из конструкционного материала - хромистой феррито-мартенситной нержавеющей стали, хорошо зарекомендовавшего себя при температурах до ˜550°С [С.Н.Вотинов, И.С.Головнин, В.П.Колотушкин. Проблемы разработки перспективных материалов для оболочек твэлов реакторов на быстрых нейтронах, в Сб. Атомные электрические станции России. 60 лет атомной промышленности. Москва, 2005, с.313-335].

Для этого материала характерны низкая жаропрочность при температурах более 550-600°С, склонность к низкотемпературному радиационному охрупчиванию (НТРО) и разупрочнение в процессе нейтронного облучения при температурах более 550°С, что препятствует применению этих материалов при температуре эксплуатации перспективных быстрых реакторов ˜750°С.

Наиболее перспективными материалами оболочек тепловыделяющих элементов реакторов на быстрых нейтронах являются сплавы на основе ванадия.

Для ванадия и сплавов на его основе характерна склонность к взаимодействию с примесными оксидами и нитридами жидкометаллических теплоносителей, приводящая к деградации механических свойств, что ограничивает применение этих сплавов в условиях контакта с жидкометаллическими теплоносителями.

За прототип выбрана оболочка тепловыделяющего элемента реактора на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем: свинцом или натрием, содержащая металлическую трубку с торцевыми заглушками из радиационно-стойкой хромистой стали, выполненную по крайней мере из двух слоев различных металлов, в которой металлическая трубка выполнена из ванадиевого сплава системы V-Ti-Cr, покрытого с наружной и внутренней сторон нержавеющей хромистой сталью типа XI7 [Свидетельство на полезную модель №23521, МКИ G21C 3/06].

Недостатком прототипа является то, что эта оболочка не гарантирует необходимого уровня свойств тепловыделяющего элемента. Известно, что легирование титаном подавляет низкотемпературное радиационное охрупчивание. Однако, сплавы с высокой концентрацией Ti склонны к высокотемпературному охрупчиванию. Легирование хромом снижает эффект высокотемпературного охрупчивания, но увеличение содержания хрома вновь усиливает склонность сплавов к НТРО. Также в составе материала-прототипа не учтено влияние примесей на деградацию механических свойств и распухание.

Известно, что при суммарном содержании кислорода и азота менее 0,05 мас.% в указанных сплавах при нейтронном облучении усиливается распухание, а при содержании более 0,2 мас.% повышается склонность к охрупчиванию. В описании материала - прототипа также отсутствуют характеристики слоя взаимодействия основы и покрытия, определяющего работоспособность оболочки.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение радиационной и коррозионной стойкости, повышение структурной стабильности, а также улучшение прочностных свойств и жаропрочности оболочки тепловыделяющего элемента реактора на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем.

Для решения поставленной задачи оболочка тепловыделяющего элемента реактора на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем содержит металлическую трубу из ванадиевого сплава, включающего также титан, хром и неизбежные примеси, с покрытием ее наружной и внутренней поверхности, выполненным из нержавеющей ферритной стали, при этом компоненты ванадиевого сплава находятся в следующем соотношении, мас.%:

титан	8,0-12,0
хром	4,0-6,0
сумма кислорода и азота	0,05-0,2
ванадий	остальное,

причем соотношение титана к хрому выбрано в пределах от 2,2 до 1,8, а между ванадиевым сплавом и нержавеющей ферритной сталью сформирован переходный слой твердого раствора ванадиевого сплава с нержавеющей ферритной сталью толщиной от 6 до 8 мкм.

В частном варианте толщина покрытия из нержавеющей ферритной стали наружной и внутренней поверхности трубы составляет от 30 до 70 мкм.

В другом частном варианте для материала покрытия использована нержавеющая ферритная сталь типа X17 или Х26Т.

Оболочка, выполненная из материала с химическим составом основы, в котором отношение содержания главных легирующих компонентов Ti/Cr выдерживается в пределах ˜2:1, а суммарное содержание кислорода и азота в структуре металла - не менее 0,05 мас.% и не более 0,2 мас.%, обладает улучшенными характеристиками пластичности, прочности и жаропрочности.

Покрытие основы из ванадиевого сплава хромистой ферритной сталью типа X17 или Х26Т с зоной диффузионного сцепления слоев оболочки толщиной ˜6-8 мкм, представляющей собой твердый раствор компонентов ванадиевого сплава и ферритной стали, улучшает коррозионную стойкость в средах теплоносителей (натрий, литий, свинец) и в водной среде бассейна выдержки отработавших тепловыделяющих элементов.

Таким образом, показано, что существенные признаки изобретения позволяют достичь повышения комплекса характеристик, определяющих работоспособность элементов ядерных энергетических установок в жидкометаллических теплоносителях при температурах ≥750°С.

Исследование свойств материала оболочки проводилось на опытных плавках.

На фиг.1, фиг.2 и в таблице на примере сплава 12X17/V-4Ti-4Cr/12X17 показаны кратковременные механические свойства материала оболочки, соответствующие предъявляемым к нему требованиям.

На фиг.1 представлена температурная зависимость предела прочности (верхняя кривая) и предела текучести (нижняя кривая) для трехслойного материала.

На фиг.2 представлена температурная зависимость общего удлинения (верхняя кривая) и равномерного удлинения (нижняя кривая) для трехслойного материала.

На фиг.3 представлены механические свойства сплавов V-4Ti-4Cr и V-10Ti-5Cr.

На фиг.4 представлено распределение концентрации основных легирующих элементов в материале - пакете, изготовленном по разработанной технологии получения двухслойных и трехслойных материалов с использованием прочного и радиационно-стойкого ванадиевого сплава, плакированного коррозионно-стойкой ферритной нержавеющей сталью. Конечная толщина пакета, деформированного горячей прокаткой, составляет 0,4 мм. Толщина образовавшейся зоны диффузионного сцепления материалов составляет ˜6-8 мкм. Предлагаемый материал с соотношением легирующих компонентов основы Ti/Cr≈2:1 (фиг.3) по сравнению с наиболее освоенным промышленностью сплавом V-4Ti-4Cr имеет более высокие прочностные свойства, аналогичные пластические и более высокую жаропрочность (таблица).

На фиг.5 представлен вид поверхности разрушения образцов сплава V-4Ti-4Cr, испытанных в среде аргона, в котором содержалось ˜6 мас.% кислорода и азота.

Свойства хромистых сталей и сплавов ванадия зависят от состава и структуры, но по уровню многих физических свойств (теплопроводности, коэффициенту линейного расширения и, что особенно важно, по параметру термостойкости) эти материалы близки друг другу. Указанные компоненты сплава образуют с железом твердые растворы, что особенно важно также для процесса сварки.

Визуальный осмотр испытанных образцов показал, что при одних и тех же условиях испытания (скорость нагрева, скорость растяжения и др.) исследуемые образцы разрушаются одинаково с образованием шейки. Зона разрушения имеет вид косого среза под углом 45° к продольной оси, что свидетельствует о вязком разрушении,

На фиг.5 показано место разрыва образца после механических испытаний на разрыв в среде аргона. Видно, что образец, испытанный в среде аргона, также разрушается с образованием шейки под углом 45° к продольной оси. Однако, у боковой поверхности образца имеются надрывы, т.е. наблюдается небольшое растрескивание на боковой поверхности, так как с боков ванадиевый сплав не был защищен от окружающей среды, что говорит о реакции ванадиевой основы с примесями в аргоне, в котором содержится до 6 мас.% примесей кислорода и азота.

При испытаниях в вакууме растрескивания не наблюдалось, чем подтверждается обоснованность защиты ванадиевого сплава V-Ti-Cr сталью 12Х17.

Таким образом, в результате проведения всестороннего экспериментального исследования установлено, что предлагаемая оболочка позволяет обеспечить по сравнению с известными оболочками аналогичного назначения комплексное улучшение наиболее важных технологических и функциональных характеристик, которые обеспечивают высокую работоспособность элементов конструкций ядерных энергетических установок, работающих в сложных радиационных и коррозионных условиях.

1. Оболочка тепловыделяющего элемента реактора на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем, содержащая металлическую трубу из ванадиевого сплава, включающего также титан, хром и неизбежные примеси, с покрытием ее наружной и внутренней поверхностей, выполненным из нержавеющей ферритной стали, отличающаяся тем, что компоненты ванадиевого сплава находятся в следующем соотношении, мас.%:

титан	8,0-12,0
хром	4,0-6,0
сумма кислорода и азота	0,05-0,2
ванадий	остальное

причем отношение титана к хрому выбрано в пределах от 2,2 до 1,8, а между ванадиевым сплавом и нержавеющей ферритной сталью сформирован переходный слой твердого раствора ванадиевого сплава с нержавеющей ферритной сталью толщиной от 6 до 8 мкм.

2. Оболочка по п.1, отличающаяся тем, что толщина покрытия наружной и внутренней поверхностей трубы составляет от 30 до 70 мкм.

3. Оболочка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что для материала покрытий использована нержавеющая ферритная сталь типа X17 или Х26Т.