оболочка тепловыделяющего элемента реактора на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем
Классы МПК: | G21C3/06 кожухи; оболочки или рубашки |
Автор(ы): | Боровицкая Ирина Валерьевна (RU), Вотинов Сергей Николаевич (RU), Головнин Игорь Стефанович (RU), Губкин Игорь Николаевич (RU), Дедюрин Анатолий Иванович (RU), Карасев Юрий Владимирович (RU), Колотушкин Владимир Павлович (RU), Коронцевич Василий Константинович (RU), Костылев Анатолий Павлович (RU), Люблинский Игорь Евгеньевич (RU), Повстянко Александр Викторович (RU), Прохоров Валерий Иванович (RU), Ревизников Леонид Иванович (RU), Сараев Олег Макарович (RU), Сергеев Сергей Геннадьевич (RU), Скиба Олег Владимирович (RU), Теплицкий Валерий Аркадьевич (RU) |
Патентообладатель(и): | Российская Федерация в лице Федерального агентства по атомной энергии (RU), Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика А.А. Бочвара" (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2006-10-09 публикация патента:
20.08.2008 |
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.
![оболочка тепловыделяющего элемента реактора на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем, патент № 2331941](/images/patents/134/2331941/2331941.jpg)
![оболочка тепловыделяющего элемента реактора на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем, патент № 2331941](/images/patents/134/2331941/2331941-2.jpg)
![оболочка тепловыделяющего элемента реактора на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем, патент № 2331941](/images/patents/134/2331941/2331941-3.jpg)
![оболочка тепловыделяющего элемента реактора на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем, патент № 2331941](/images/patents/134/2331941/2331941-4.jpg)
![оболочка тепловыделяющего элемента реактора на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем, патент № 2331941](/images/patents/134/2331941/2331941-5.jpg)
Формула изобретения
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.
Описание изобретения к патенту
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 | |||||
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.
Класс G21C3/06 кожухи; оболочки или рубашки