сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе титана

Формула изобретения

Сплав на основе титана для поглощения тепловых нейтронов, содержащий углерод, железо, кремний, азот, алюминий, цирконий и титан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит самарий при следующем содержании компонентов, вес.%:

Углерод	0,03-0,10
Железо	0,15-0,25
Кремний	0,05-0,12
Азот	0,010-0,04
Алюминий	1,8-2,5
Цирконий	2,0-3,0
Самарий	0,5-5,0
Титан и примеси	остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, к разработке новых нерадиоактивных материалов и может быть использовано в атомной энергетической промышленности. Традиционные нерадиоактивные металлы, используемые более 50 лет в атомных энергетических установках, - это циркониевые сплавы ( 125, 225), коррозионно-стойкая сталь (08Х18Н10Т) и бористая сталь ЧС82 (04Х14Т3Р1Ф). Последняя за счет содержания бора обладает свойством поглощения тепловых нейтронов. В настоящее время из нее изготавливают шестигранные трубы для комплектации стеллажей свежего ядерного топлива и бассейнов выдержки отработанных тепловыделяющих сборок.

Эта сталь получила широкое применение в атомном машиностроении, разработаны и утверждены ТУ14-1-3689-83, ТУ14-1-4599-89 на получение трубной заготовки из стали ЧС82. А также разработана технология получения горячекатаных труб из этой стали (ТУ14-242-275-89), которые служат заготовкой для получения шестигранных труб (ТУ14-3-1630-89).

Современные требования к материалам, которые способны поглощать тепловые нейтроны от радиоактивных элементов, диктуют повышение уровня поглощения. Увеличение содержания бора в стали ЧС82 от традиционного содержания (1,5-1,8)% согласно ТУ14-1-4599-89, например, до 2,5% делает сталь ЧС82 хрупкой и не пригодной для применения по назначению. Известен сплав на основе титана для поглощения тепловых нейтронов (патент РФ № 2483132, БИ № 15 от 27.05.13 г.), где содержание бора в диапазоне (1,5-3,5)%. Для увеличения поглощающих свойств необходимо увеличивать содержание бора в сплаве согласно современным требованиям - до 10%. Однако элемент бор и его изотоп 10 В, обладающий максимальной поглощающей способностью, существенно «охрупчивает» не только стали на основе железа, но и сплавы на основе титана. Это общее свойство боридов.

В табл.1, на основании известных данных из справочника: Свойства элементов: Справ. Издание в 2-х книгах. / Под ред. Дница М.Е. - М.: Издательский дом «Руда и металлы», 2003, представлены значения эффективных поперечных сечений захвата тепловых нейтронов для природных изотопов титана, алюминия, циркония, бора и самария.

Из табл.1 следует, что природный изотоп самария (149Sm) на порядок эффективнее поглощает тепловые нейтроны, чем изотоп бора 10 В.

Цель настоящего изобретения - разработка материала, который бы имел не только высокий уровень поглощения тепловых нейтронов, но и обладал высокими эксплуатационными и пластическими свойствами, что в целом обеспечивает безопасность хранения отработанного ядерного топлива.

Наиболее близкий к описываемому по технической сущности и достигаемому эффекту является сплав на основе титана ПТ7М (ГОСТ 19807-91), который также применяется в атомной энергетике (см. статью Ушкова С.С. И др. - Вопросы материаловеденья, 2009, № 3 (59), с.172-187.). Химический состав сплава ПТ7М, вес. %:

Углерод	0,03-0,10
Железо	0,15-0,25
Кремний	0,05-0,12
Азот	0,010-0,040
Алюминий	1,8-2,5
Цирконий	2,0-3,0
Титан и примеси	остальное

Поставленная цель достигается тем, что в известный сплав ПТ7М на основе титана добавляют редкоземельный элемент - самарий - в следующем объеме, вес. %: 0,5-5,0. Диапазон содержания в сплаве самария обусловлен оптимальным уровнем поглощения тепловых нейтронов и экономической целесообразностью. Ниже 0,5% - сплав не обеспечивает необходимый минимальный уровень поглощения тепловых нейтронов, более 5% - существенно повышается себестоимость сплава.

Для получения сплавов на основе титана используется электроннолучевой переплав (ЭЛП) в вакуумных печах. В качестве основного сырья применяется губчатый титан (марки ТГ100, ТГ110) с содержанием титана (99,7-99,7)% согласно ГОСТ 17746-96. С целью равномерного распределения легирующих элементов (Al, Zr, Sm) в слитке осуществляется двойной переплав. Контроль нейтронного поглощения полученного сплава в слитке и трубах осуществляется с помощью отечественной установки УКПН-1.

Пример получения сплава на основе титана для поглощения тепловых нейтронов. Губчатый титан ТГ100 в виде дискретных кусков размером (20-45) мм перемешивается с лигатурой: из алюминия, циркония и самария (ТУ48-4-207-72) в соотношении - 1 кг (ТГ100)+0,025 кг (Al)+0,03 кг (Zr)+0,01 кг (Sm) в общем объеме 20 кг и подается в экспериментальную установку (ЭЛП). После двойного переплава получаем слиток 100 мм длиной 500 мм. После обточки и ротационной ковки слитка на диаметр 65 мм получим микроструктуру сплава с величиной зерна 5-6 баллов. Горячее прессование позволяет получить трубу-заготовку для последующего холодного передела.

В табл.2 приведен химический состав полученного сплава (СПС-1,0; СПС-1,5), а в табл.3 представлены механические свойства кованного круга 65 мм из сплава СПС-1,0; СПС-1,5 при +20°С вместе с величиной поглощения тепловых нейтронов при содержании самария 1,0% и 1,5%. Для сравнения в табл.2-3 представлены химический состав и механические свойства кованного круга 65 мм из сплава ПТ7М, изготовленного на ОАО «ВСМПО АВИСМА» (г.В.Салда), согласно ГОСТ 26492-85,

Как следует из табл.1-3, заявленный сплав имеет высокий уровень поглощения тепловых нейтронов по сравнению с прототипом ПТ7М при этом имеет высокие прочностные свойства.

При этом необходимо отметить, что введение самария при выплавке сплава на основе титана не обязательно в виде технически чистого металла (Sm), изготовленного по ТУ48-4-207-72. Для сохранения нормативного требования по распределению самария в сплаве, где расстояние между частицами Sm не более 15 микрон, достаточно использовать в плавке диоксид самария, что существенно снижает себестоимость сплава и изделия из него.

Таким образом, снижая содержание титана в сплаве ПТ7М на (0,5-5,0)%, заменяя его на самарий (0,5-5,0)%, получаем сплав с высоким уровнем поглощения тепловых нейтронов, что востребовано в атомном машиностроении.

Таблица 1
Значения эффективных поперечных сечений захвата тепловых нейтронов природных изотопов титана, алюминия, циркония, бора, самария (n ·10-28 м2)
№	Изотоп	n	№	Изотоп	n	№	Изотоп	n
1	46 Ti	0,6	3	90 Zr	0,10	5	149 Sm	50000
	47 Ti	8,0		91 Zr	1,50		152 Sm	5600
							154 Sm	5600
2	27 Al	0,21	4	10 В	3838
				11 В	757

Таблица 2
Химический состав опытных плавок титановых сплавов с самарием (СПС-1,0; СПС-1,5) и прототипа ПТ7М
№	сплав	Sm	С	Fe	Si	N	Al	Zr	Ti	примеси
1	СПС-1,0	1,0	0,08	0,20	0,10	0,02	2,5	3,0	осн	0,34
2	СПС-1,5	1,5	0,08	0,20	0,10	0,02	2,5	3,0	осн	0,34
3	ПТ7М	-	0,07	0,15	0,08	0,03	2,1	2,5	осн	0,28

Таблица 3
Предел прочности ( b), предел текучести ( 02), относительное удлинение ( 5) и поглощение тепловых нейтронов (n ·10-28 м2) для сплавов титана СПС-1,0; СПС-1,5; ПТ7М при +20°С
№	СПЛАВ	b	02	5	N
		(МПа)	(МПа)	(%)
1	СПС-1,0	730	510	30	109
2	СПС-1,5	790	543	25	355
3	ПТ7М	610	490	21	0,7