RU2331941C2 - Оболочка тепловыделяющего элемента реактора на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем - Google Patents
Оболочка тепловыделяющего элемента реактора на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем Download PDFInfo
- Publication number
- RU2331941C2 RU2331941C2 RU2006135586/06A RU2006135586A RU2331941C2 RU 2331941 C2 RU2331941 C2 RU 2331941C2 RU 2006135586/06 A RU2006135586/06 A RU 2006135586/06A RU 2006135586 A RU2006135586 A RU 2006135586A RU 2331941 C2 RU2331941 C2 RU 2331941C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- vanadium alloy
- liquid metal
- fuel element
- titanium
- vanadium
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/10—Nuclear fusion reactors
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
Landscapes
- Particle Accelerators (AREA)
- Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)
- Heat Treatment Of Steel (AREA)
- Heat Treatment Of Articles (AREA)
Abstract
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.
Description
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.
Claims (3)
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.%:
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006135586/06A RU2331941C2 (ru) | 2006-10-09 | 2006-10-09 | Оболочка тепловыделяющего элемента реактора на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006135586/06A RU2331941C2 (ru) | 2006-10-09 | 2006-10-09 | Оболочка тепловыделяющего элемента реактора на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2006135586A RU2006135586A (ru) | 2008-04-20 |
RU2331941C2 true RU2331941C2 (ru) | 2008-08-20 |
Family
ID=39453554
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2006135586/06A RU2331941C2 (ru) | 2006-10-09 | 2006-10-09 | Оболочка тепловыделяющего элемента реактора на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2331941C2 (ru) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2445400C1 (ru) * | 2010-08-09 | 2012-03-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет" (ТГУ) | СПОСОБ ОБРАБОТКИ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ВАНАДИЯ СИСТЕМЫ V-4Тi-4Cr |
RU2682655C2 (ru) * | 2014-08-28 | 2019-03-20 | ТерраПауэр, ЭлЭлСи | Устройство увеличения доплеровского коэффициента реактивности |
RU2699879C1 (ru) * | 2018-12-13 | 2019-09-11 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Способ получения композиционного материала на основе ванадиевого сплава и стали |
RU2704945C1 (ru) * | 2018-10-03 | 2019-10-31 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) | СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТРЕХСЛОЙНОГО МАТЕРИАЛА СТАЛЬ Х17Н2 - V-4,9Ti-4,8Cr - СТАЛЬ Х17Н2 |
RU2797437C1 (ru) * | 2022-06-23 | 2023-06-05 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Способ поддержания концентрации кислорода в свинце в ампульном облучательном устройстве |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR3025929B1 (fr) * | 2014-09-17 | 2016-10-21 | Commissariat Energie Atomique | Gaines de combustible nucleaire, procedes de fabrication et utilisation contre l'oxydation. |
-
2006
- 2006-10-09 RU RU2006135586/06A patent/RU2331941C2/ru active IP Right Revival
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2445400C1 (ru) * | 2010-08-09 | 2012-03-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет" (ТГУ) | СПОСОБ ОБРАБОТКИ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ВАНАДИЯ СИСТЕМЫ V-4Тi-4Cr |
RU2682655C2 (ru) * | 2014-08-28 | 2019-03-20 | ТерраПауэр, ЭлЭлСи | Устройство увеличения доплеровского коэффициента реактивности |
US11031142B2 (en) | 2014-08-28 | 2021-06-08 | Terrapower, Llc | Doppler reactivity augmentation device |
RU2704945C1 (ru) * | 2018-10-03 | 2019-10-31 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) | СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТРЕХСЛОЙНОГО МАТЕРИАЛА СТАЛЬ Х17Н2 - V-4,9Ti-4,8Cr - СТАЛЬ Х17Н2 |
RU2699879C1 (ru) * | 2018-12-13 | 2019-09-11 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Способ получения композиционного материала на основе ванадиевого сплава и стали |
RU2797437C1 (ru) * | 2022-06-23 | 2023-06-05 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Способ поддержания концентрации кислорода в свинце в ампульном облучательном устройстве |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2006135586A (ru) | 2008-04-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Duan et al. | Current status of materials development of nuclear fuel cladding tubes for light water reactors | |
RU2331941C2 (ru) | Оболочка тепловыделяющего элемента реактора на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем | |
JPH01267493A (ja) | 耐酸化性被覆を有する燃料要素 | |
Garde et al. | Corrosion behavior of Zircaloy-4 cladding with varying tin content in high-temperature pressurized water reactors | |
US5805656A (en) | Fuel channel and fabrication method therefor | |
Yamauchi et al. | A study on macroscopic fuel cladding ductile-to-brittle transition at 300° C induced by radial hydrides | |
KR20140058492A (ko) | 최종 열처리로 인해 개선된 부식/크리프 저항을 갖는 지르코늄 합금 | |
Terrani et al. | High temperature oxidation of silicon carbide and advanced iron-based alloys in steam-hydrogen environments | |
CN109504908A (zh) | 一种含铜钛高强度高耐蚀不锈钢及其制备方法 | |
Kim et al. | Development of Cr-Al Coating on Zircaloy-4 for Enhanced Accident Tolerant Fuel | |
Garzarolli et al. | Alternative Zr alloys with irradiation resistant precipitates for high burnup BWR application | |
Chow et al. | A fuel channel design for CANDU-SCWR | |
Penttilä et al. | Generation IV Material Issues-Case SCWR | |
RU23521U1 (ru) | Оболочка тепловыделяющего элемента реактора на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем | |
CN106222577A (zh) | 不锈钢合金及其制备方法、燃料组件的不锈钢包壳 | |
Karpyuk et al. | Steel cladding for VVER fuel pins in the context of accident-tolerant fuel: prospects | |
Ševeček et al. | Cold spray Cr-coated fuel cladding with enhanced accident tolerance | |
Besch et al. | Corrosion behavior of duplex and reference cladding in NPP Grohnde | |
JPS6213550A (ja) | 燃料集合体用ジルコニウム基合金部材 | |
CN109504907A (zh) | 一种含铜锆高强度高耐蚀不锈钢及其制备方法 | |
CN109504826A (zh) | 一种含铜钒高强度高耐蚀不锈钢及其制备方法 | |
Kim et al. | Reaction between a rare earth element and 9Cr-2W steel | |
Ross-Ross et al. | Experience with zirconium-alloy pressure tubes | |
Sanyal et al. | Hydrogen embrittlement of In-RAFM steel investigated with in-situ tension testing through electrochemical charging | |
Chinese Society for Metals (CSM) and The Minerals, Metals & Materials Society (TMS) et al. | Advanced steels for accident tolerant fuel cladding in current light water reactors |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20101010 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20131010 |