Критерии работоспособности конструкционных материалов ядерных и термоядерных энергетических установок

Создание новых конструкционных материалов или оценка пригодности сталей и сплавов к специфическим условиям эксплуатации их в качестве основных узлов атомных и термоядерных энергетических установок являются весьма сложными научными и инженерными задачами, которые еще не решены полностью и для традиционных энергетических установок с длительным сроком службы.

По сравнению с материалами традиционных энергетических установок конструкционные материалы атомных энергетических установок работают в более сложных условиях, так как нейтронное облучение ускоряет процессы ползучести, усиливает временную зависимость прочности, резко снижает кратковременную и длительную пластичность при умеренных (20-450 °С), высоких (500-800 °С) и особенно сверхвысоких (выше 800 °С) температурах, повышает критическую температуру перехода из хрупкого в вязкое состояние, снижает коррозионную стойкость, а также при накоплении определенной дозы нейтронов вызывает порообразование и радиационное распухание.

В результате ядерных реакций в материалах образуются газообразные примеси (гелий, водород и др.), приводящие к гелиевому охрупчиванию, водородной хрупкости, газовому распуханию. Существенное влияние на сопротивляемость разрушению конструкционных материалов могут оказывать и негазовые продукты ядерных превращений, особенно при накоплении их выше предела растворимости в твердых растворах.

Особую сложность представляет выбор конструкционных материалов для узлов активной зоны (оболочек ТВЭЛов, чехлов технологических каналов и др.) реакторов на быстрых нейтронах, так как флюенс нейтронов на эти материалы составляет до 3 • 1023 нейтр/см2 при рабочих температурах 300-700 °С. В таких температурно-временных условиях радиационное распухание аустенитных хромоникелевых коррозионно-стойких сталей и сплавов, являющихся основными конструкционными материалами активных зон атомных энергетических установок, может достигать 10-30 %.

При недопустимо большом распухании возможно «заклинивание» отдельных элементов активной зоны, а при неравномерном распухании по высоте и радиусу возможен их изгиб. И то и другое приводит к уменьшению проходных сечений для теплоносителя и к иным неблагоприятным последствиям.

При анизотропном распухании по периметру и толщине оболочек ТВЭЛов возможно появление дополнительных напряжений, осложняющих работоспособность материалов в составе конструкции. Если даже не рассматривать взаимодействие плазмы с поверхностью материала первой стенки, то и тогда остается проблемой предотвращение в нем опасных объемных изменений, снижения механических, физических и других свойств.

Таким образом, радиационное распухание и другие отмеченные неблагоприятные последствия нейтронного облучения могут стать определяющими в создании работоспособных и экономичных быстрых реакторов и перспективных термоядерных энергетических установок.

В меньшей степени изучено влияние вакансионной пористости на снижение деформационной способности конструкционных материалов. Можно полагать, что наибольшую опасность следует ожидать от скоплений крупных пор. В таких местах возможна локализация пластической деформации и, как следствие, преждевременное хрупкое разрушение на межфазных границах. Поэтому выявление природы и механизма зарождения вакансионных пор, а также способов ослабления или подавления радиационного распухания является важнейшей проблемой, имеющей не только теоретическое, но и прикладное значение при изучении прочности конструкционных материалов.

Деформационная способность теплоустойчивых и жаропрочных материалов — один из основных критериев, определяющих сопротивляемость изделий разрушению в процессе эксплуатации при высоких температурах.

Хрупкое разрушение металлов, работающих в условиях ползучести и релаксации, ограничивает срок службы многих деталей и агрегатов обычных энергетических установок. Ускоренное снижение пластичности в условиях реакторного облучения оказывает еще большее влияние на характеристики жаропрочности конструкционных материалов. В связи с этим изучение закономерностей изменения деформационной способности при нейтронном облучении и определение предельной пластичности в зависимости от радиационной повреждаемости являются неотложными задачами. Эти сведения необходимы не только для рекомендации материалов к применению в конкретных температурно-временных условиях службы, но и для выявления способов рационального легирования при получении новых радиационно-стойких сплавов (табл. 1.27). Из представленных данных следует, что среди многообразия критериев, определяющих пригодность конструкционных материалов к конкретным условиям эксплуатации, важнейшим является деформационная способность. Нейтронное облучение во всех температурно-временных областях снижает деформационную способность сталей и сплавов.

Таблица 1.27

Влияние нейтронного облучения на критерии работоспособности конструкционных материалов

Явление

Отрицательные последствия

Вакансионное порообразование и радиационное распухание

Уменьшение проходных сечений для теплоносителя, « заклинивание» отдельных движущихся элементов, изгиб конструкций от неравномерного распухания по высоте и радиусу. Снижение деформационной способности, возникновение дополнительных напряжений от неравномерности распухания

Явление

Отрицательные последствия

Высокотемпературное охрупчивание

Усиление временной зависимости прочности, проявление физических переломов на кривых длительной прочности. Снижение прочности границ зерен, развитие межзеренных клиновидных и порообразных трещин (полостей), бездеформационное разрушение, проявление хрупкости, т. е. потеря устойчивой зависимости длительной прочности от напряжения и температуры, расширение температурно-временной области с низкой деформационной способностью, усиление хрупкости с увеличением размера зерна и снижение длительной прочности крупнозернистых материалов, необратимость высокотемпературного гелиевого охрупчивания

Радиационно-стиму- лированная диффузия и радиацинно- стимулированный и индуцированный распад твердых растворов

Ускорение и усиление низко- и высокотемпературного охрупчивания при избирательном (границы зерен, плоскости двойникования, другие поверхности раздела) распаде твердых растворов (при однородном распаде возможно проявление и положительного влияния радиационно стимулированной диффузии — восходящая ветвь кривой длительной пластичности в аустенитных сплавах, замена пластинчатых гидридов глобулярными в сплавах титана, ускорение релаксации структурных напряжений в мартенситно-стареющих сталях и др.). Облегчение коалесценции и миграции пузырьков гелия к границам зерен и другим поверхностям раздела — усиление охрупчивания

Радиационная ползучесть

Ускорение ползучести, проявление ползучести при более низких температурах. Вырождение третьего периода ползучести — развитие хрупкости и возможность проявления внезапного разрушения. Сокращение второго периода ползучести при развитом третьем периоде — усиление временной зависимости прочности при относительно вязком разрушении

Термическая усталость и термические удары

Снижение сопротивляемости термической усталости вследствие снижения деформационной способности. Ускорение роста трещин, обусловленное циклическими напряжениями, а также притоком гелия, образующегося при ядерных реакциях и распаде трития, диффундирующего из плазмы

 

Явление

Отрицательные последствия

Низкотемпературное охрупчивание

Проявление хрупкости при низких температурах в аустенитных сталях и сплавах. Усиление охрупчивающего влияния в сталях и сплавах с ОЦК- и ГПУ-решетками (ферритные стали, сплавы титана и циркония и др.)- Вырождение равномерного удлинения, потеря способности металла к деформационному упрочнению (потеря устойчивости деформирования), локализация деформации, преждевременное развитие повреждений, появление газовой неплотности в тонкостенных конструкциях. Вырождение сосредоточенной деформации — интенсификация повреждаемости в шейке облученных материалов. Интенсификация карбидо- и нитридообразования (и образования других вторичных фаз) в низкотемпературном интервале

Радиационная хладноломкость

Повышение температуры хрупко-вязкого перехода в материалах с ОЦК- и ГПУ-решетками (ферритные и перлитные стали, тугоплавкие сплавы, а-сплавы титана и др.), уменьшение работы разрушения. Усиление вредного влияния крупнозернистого строения структурных составляющих на склонность к хрупкости. Усиление влияния вредных примесей (Р, Sn, Sb и др.) и некоторых элементов внедрения (N, Н) и замещения (Си, Ni) на повышение критической температуры хрупкости перлитных и ферритно-перлитных сталей

Снижение сопротивляемости коррозионному разрушению

Ускорение общей и язвенной коррозии в контакте с хлорсодержащими средами. Резкое снижение сопротивляемости коррозионному растрескиванию аустенитных хромоникелевых сталей и сплавов. Деструкция защитной пленки — ускорение возникновения начальных очагов коррозии. Повышение склонности к водородному охрупчиванию углеродистых низколегированных и ферритных сталей и других материалов

Физическое и химическое распыление

Утонение несущих конструкций. Избирательность распыления, обеднение поверхностных слоев определенными элементами, перераспределение концентрации легирующих элементов в поверхностных слоях, изменение комплекса механических, физических и других свойств (появление 6- феррита или мартенсита в аустенитных сталях и др.). Ускорение эрозии в результате образования более летучих химических соединений (например, гидридов или оксидов) при взаимодействии атомарных ионов химически активных газов (Н+, 0+, N+ и др.) с контактирующей поверхностью

Известно, что жаропрочность и хладостойкость весьма чувствительны к структурным изменениям, происходящим в сталях и сплавах при изменении температурно-временных условий эксплуатации. Управление свойствами конструкционных материалов (ослабление или подавление неблагоприятной радиационной повреждаемости) требует выяснения влияния на них структурных превращений на различных стадиях распада твердых растворов под воздействием облучения.

Комментариев нет »

Комментариев нет.

RSS-лента комментариев к данной записи. TrackBack URI

Оставить комментарий