Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Литературный обзор 8
1.1 Дистанционирование твэлов в активной зоне ядерного реактора 8
1.2 Конструкции и материалы дистанционирующих решеток 9
1.2.1 Дистанционирующие решетки ВВЭР и РБМК 9
1.2.2 Конструкции дистанционирующих решеток, используемые за рубежом 12
1.3 Вопросы разрушения дистанционирующих решеток 14
1.4 Пайка быстрозакаленными сплавами-припоями 16
1.4.1 Преимущества пайки 16
1.4.2 Аморфизация расплава 18
1.5 Пайка циркониевых сплавов 19
1.5.1 Сплавы циркония и их работоспособность 19
Некоторые свойства циркония 19
Циркониевые сплавы, используемые в атомной энергетике 19
Вопросы коррозии циркониевых сплавов 20
Влияние термообработки циркониевых сплавов на их коррозионные свойства 21
1.5.2 Известные припои для пайки циркония и его сплавов 22
Припои на основе циркония 23
1.5.3 Экспериментальное обоснование температуры пайки 28
1.6 Выводы 28
Глава II. Методические вопросы 30
2.1, Особенности выплавки слитков 30
2.2, Получение аморфных лент. Установка Кристалл-702 30
2.3, Подготовка дистанционирующих ячеек к пайке 32
2.4, Пайка образцов 33
2.4.1. Пайка элементов ЦДР 33
2.4.2. Сравнительная пайка на установке АЛА-ТОО 33
2.4.3. Пайка полномасштабной решетки ВВЭР 34
2.5, Исследование свойств паяных соединений и припоев 35
2.5.1, Изучение структуры и свойств припоев 35
2.5.2. Исследование распределения элементов 35
2.5.3. Методика коррозионных испытаний 36
2.5.4. Проверка устойчивости паяного соединения при нагреве выше 1200 С 36
2.5.5. Испытания на разрыв 37
2.5.6. Исследование упругих свойств дистанционирующих выступов ячеек ЦДР 37 2.6. Реакторные испытания 38
2.6.1. Условия реакторных испытаний 38
2.6.2. Материаловедческие исследования после реакторных испытаний 39
Глава III. Разработка состава припоя для пайки циркония 40
3.1. Требования к припою 40
3.2. Выбор легирующих элементов припоя 41
3.3. Анализ бинарных диаграмм состояния сплавов на основе циркония 43
3.3.1. Диаграмма состояния системы Zr-Be 43
3.3.2. Диаграмма состояния систе-мы Z-Fe 43
3.3.3. Диаграмма состояния системы Zr-Nb 44
3.3.4. Диаграмма состояния системы Be-Fe 44
3.3.5. Диаграмма состояния системы Zr-Cu 44
3.3.6. Диаграмма состояния системы Zr-Sn 44
3.3.7. Диаграмма состояния системы Zr-Cr 45
3.4. Анализ тройных диаграмм состояния сплавов на основе циркония 45
3.4.1. Диаграмма состояния системы Zr-Be-Fe 45
3.4.2. Диаграмма состояния системы Zr-Be-Nb 47
3.4.3. Диаграмма состояния системы Fe-Nb-Zr 50
3.5. Выбор базового состава (Zr-Fe-Nb-Be) 50
3.6. Легирование медью, хромом и оловом 51
3.7. Исследования влияния меди и бериллия на температуру плавления сплава 52
3.8. Легирование германием 55
3.9. Исследование быстрозакаленной ленты из сплава циркония 66
3.10. Выводы 67
Глава IV. Исследование свойств паяных соединений 68
4.1. Сравнение паяных швов, выполненных с использованием аморфного и кристаллического припоев на основе циркония 68
4.2. Испытания на разрыв 70
4.3. Сравнение микроструктур швов, паянных припоями толщиной 20 и 40 мкм 71
4.4. Коррозионные испытания паяных соединений 74
4.4.1. Исследование образцов после 1000 и 2000 ч коррозионных испытаний 74 Исследование гидридообразования после 1000 и 2000 ч коррозионных испытаний 74 Исследование распределения элементов после 1000 и 2000 ч коррозионных испытаний 77
4.4.2. Исследование образцов после 5500 и 6000 ч коррозионных испытаний 80
4.5. Испытания на изгиб полномасштабных решеток ВВЭР-440 80
4.6. Упругие свойства дистанционирующих выступов ячеек ЦДР 81
4.7. Проверка устойчивости паяного соединения при нагреве выше 1200 С 83
4.8. Реакторные испытания и послереакторные исследования 83
4.8.1. Металлографические исследования облученных образцов 84
4.8.2. Механические испытания облученных образцов 85
4.9. Выводы 87
Выводы 88
Библиографический список 90
Приложение 97
- Дистанционирование твэлов в активной зоне ядерного реактора
- Особенности выплавки слитков
- Требования к припою
- Сравнение паяных швов, выполненных с использованием аморфного и кристаллического припоев на основе циркония
Введение к работе
Введение
Актуальность работы
Важнейшими задачами, изложенными в Программе развития ядерной энергетики Российской Федерации на период до 2010 г.*, являются увеличение степени выгорания топлива энергетических реакторов типа ВВЭР свыше 60 МВтсут/KrU и продление кампании до 6-7 лет при обеспечении безопасности АЭС. В этой связи целью реакторного материаловедения является обеспечение безопасности и экономичности ядерно-энергетических установок за счет более совершенных технологий и материалов, а также обеспечение конструкторских решений материалами с улучшенными свойствами. Примером решения указанных выше задач является внедрение, начиная с 1997 г., в легководных реакторах циркониевых дистанционирующих решеток (ЦЦР) вместо стальных. Это соответствует мировым тенденциям увеличения выгорания топлива. Так, тепловыделяющие сборки (ТВС) фирмы Сименс, рассчитанные на выгорание 70 МВгсут/кги при исходном пяти процентном обогащении топлива, содержат ЦЦР.
Опыт использования на реакторах ВВЭР-1000 циркониевых дистанционирующих решеток, ячейки которых изготовлены из сплава Э110 и соединены контактно-стыковой сваркой (КСС), показывает, что в ряде случаев они недостаточно жесткие, что приводит к их искажению. В реакторах РБМК имели место случаи разрушения ЦЦР в местах сильной рекристаллизации и фреттинг-коррозии. Эти факты свидетельствуют о том, что существующие конструкция и технология изготовления не исключают повреждения ЦЦР, а даже незначительные отклонения от режима КСС вызывают нежелательные структурно-фазовые изменения в зоне сварки сплава. К недостаткам КСС относятся возможные непровары или, наоборот, проплавлення тонких стенок ячеек дистанционирующих решеток. Кроме того, соединение ячеек происходит в двух точках, а не по всей высоте ячейки. Под сварку требуется определенная ширина контактной площади ячеек, что ограничивает возможность изменения формы ячеек ЦЦР (пуклевок), и, соответственно, упругости ячеек. Все это с учетом внедрения продленной кампании топлива свидетельствует о необходимости совершенствования как конструкции ЦДР, так и технологии их изготовления, т.е. создания надежных ЦЦР.
В качестве альтернативной технологии соединения сплавов циркония между собой рассматривается высокотемпературная пайка. В процессе пайки происходит расплавление припоя, а не основного металла. За счет использования пайки снимаются ограничения на форму и размеры контактных поверхностей (например, при соединении ячеек ЦДР), обусловленные размерами электродов КСС. Кроме того, за счет пайки по * Утверждена постановлением Правительства РФ № 815 от 21 июля 1998 г.
Введение всей высоте ячеек обеспечивается необходимая жесткость решетки и упругость ячеек. Перспективным для пайки является использование быстрозакаленных аморфных ленточных припоев. Такие припои имеют ряд преимуществ по сравнению с кристаллическими припоями того же состава. В частности, за счет фиксации в твердом состоянии структуры расплава с однородным химическим составом обеспечивается значительно более высокая диффузионная и капиллярная активность, а также высокая затекаемость сплавов-припоев в зазор во время пайки. Быстрозакаленная лента более технологична по сравнению с кристаллическим аналогом, что позволяет использовать припой в строго дозируемом количестве.
Однако пайка циркония - весьма сложная научно-техническая задача в силу ряда обстоятельств. Во-первых, припой должен быть на основе циркония с темепературой пайки не выше 800 С, а известные циркониевые припои имеют температуру пайки выше 850 С. Нагревание готовых полуфабрикатов до такой высокой температуры нарушает структурно-фазовую стабильность циркониевых сплавов. Во-вторых, необходимо обеспечить высокие радиационную и коррозионную стойкость и механические свойства паяного соединения.
Все вышеизложенное свидетельствует об актуальности разработки быстрозакаленных припоев, обеспечивающих создание коррозионно- и радиационно-стойких соединений конструктивных элементов активной зоны атомных реакторов методами прецизионной пайки с высокой температурой распайки.
Цель работы: разработка быстрозакаленных циркониевых сплавов-припоев и технологических режимов прецизионной пайки элементов конструкций активных зон ядерных энергетических реакторов.
Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи: найти новые составы сплавов на основе циркония с температурой пайки не выше 800 С; определить технологические режимы прецизионной пайки сплавов циркония применительно к изготовлению полномасштабных дистанционирующих решеток ТВС реактора ВВЭР (сплав Э110), обеспечивающие необходимые механические, коррозионные и радиационные свойства паяных соединений, которые соответствуют эксплуатационным режимам реактора ВВЭР.
Научная новизна
Разработаны новые составы аморфизующихся сплавов-припоев на основе циркония с температурой пайки 800 С.
Обосновано использование пайки дистанционирующих решеток из сплава Э110 быстрозакаленными ленточными припоями.
Введение
Определены технологические режимы пайки циркониевых дистанционирующих решеток, обеспечивающие требуемые ОСТом 95503-84 механические свойства соединений и их стойкость в условиях эксплуатации.
Практическая ценность работы
Разработанные припои использованы для изготовления полномасштабных ЦДР реакторов ВВЭР-440 для дореакторных испытаний. Проведенные коррозионные испытания (в том числе и под облучением) фрагментов ЦЦР показали высокую коррозионную стойкость паяных соединений и основного металла. Разработанные припои для соединения изделий из сплавов циркония и циркония с коррозионностойкой сталью могут найти практическое применение как в атомной промышленности, так и в других отраслях.
Основные положения, выносимые на защиту
Составы быстрозахалетшых ленточных сплавов-припоев на основе циркония с температурой начала плавления ниже 800 С, в мае. %: Ъх - 5,5 % Fe - (2,5-3,5) % Be -1 % Nb - (5-8) % Си - 2 % Sn - 0,4 % Cr - (0,5-1,5) % Ge.
Методика прецизионной пайки сплавов циркония, обеспечивающая высокий ресурс паяных соединений в эксплуатационных условиях: механические и коррозионные свойства, радиационную стойкость (технологический режим пайки 800 С - 2 мин, отжиг 580 "С - 3-6 ч, вакуум не хуже 5 10"5 мм.рт.ст.).
Способ изготовления полномасштабных циркониевых дистанционирующих решеток с использованием быстрозакаленных ленточных сплавов-припоев на основе циркония.
Апробация работы
Основные результаты докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: «Научная сессия МИФИ», 1999, 2000, 2001, 2002, 2006 (Москва); Международная научно-практическая конференция «Новые материалы и технологии на рубеже веков», 2000 и 2001, (Пенза); Международная конференция молодых ученых и специалистов ОИЯИ, 2001, (Дубна, Моск. обл.); Научно-практическая конференция материаловедческих обществ России «Новые функциональные материалы и экология», 2002, (Звенигород, Моск. обл.); VI и VII Российские конференции по реакторному материаловедению, 2000 и 2003, (Димитровград); I Российская научная конференция «Материалы ядерной техники», 2002, (п. Агой, Краснодарский край),
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ и получено 2 патента.
Дистанционирование твэлов в активной зоне ядерного реактора
Современная атомная энергетика базируется на реакторах на тепловых нейтронах. Оболочки твэлов, дистанционирующие, герметизирующие и другие детали ТВС сделаны, как правило, из циркониевых сплавов [1-9]. Наибольшее распространение на территории Российской Федерации нашли легководные энергетические реакторы - под давлением и кипящие, - на долю которых приходится около 85 % всей вырабатываемой электроэнергии АЭС.
В ряде стран доля атомной энергетики составляет более 30% всей вырабатываемой электроэнергии. Во Франции атомные станции вырабатывают более 70 %, США 22 %, Великобритании 21 %, в СНГ 13 % [2]. В перспективе роль атомной энергетики в развитии промышленности РФ будет только возрастать.
Работоспособность реактора, технико-экономические характеристики всей АЭС, а также поведение реактора в аварийных условиях в значительной степени зависят от качества и надежности твэлов.
Конструкция ТВС должна удовлетворять ряду требований [1,2,4], среди которых наиболее важными являются: 1) высокая точность расположения твэлов в кассетах необходимая для обеспечения максимального постоянства нейтронного поля во всех участках активной зоны; 2) обеспечение условий для надежного охлаждения всех твэлов в сборке не только при нормальных условиях эксплуатации, но и при различных аварийных ситуациях, включая максимальную проектную аварию; 3) обеспечение возможности независимого осевого термического и радиационного удлинения и возможного изменения формы твэла без существенного термомеханического воздействия со стороны дистанционирующих элементов и чехлов ой трубы.
Твэлы в ТВС возможно дистанционировать различными способами. На рис. 1.1 представлены различные варианты дистанционирования твэлов [3]. Чаще всего для дистанционирования используют навивку проволоки или дистанционирующие решетки.
Для дистанционирования твэлов в энергетических реакторах ВВЭР и РБМК используют решетки, собираемые из ячеек, в то время как за рубежом большее применение нашли решетки, собираемые из пластин. Конструкции этих решеток более подробно рассмотрим далее.
Особенности выплавки слитков
Для приготовления сплава-припоя использовали следующие элементы: цирконий металлический иодидный, ТУ 95-46-76; ниобий Нб-1, ГОСТ 16099-70; железо - порошок железный ПЖ-0, ГОСТ 9849-74; бериллий горячепрессованный чистотой 99,98%; медь, МООБ, хром электролитический; олово ОВЧ.
Перед плавкой предварительно были изготовлены лигатуры Zr-5 мас, % Be и Zr - 50 % Nb. Выплавку слитков проводили в дуговой печи МИФИ-9-3 шестикратным переплавом с использованием лигатур и чистых металлов. Для предотвращения разбрызгивания или рассыпания при плавке навески заворачивали в ниобиевую или медную фольгу толщиной 50 мкм, масса которой также входила в общую массу.
Дуговая печь МИФИ-9 с вольфрамовым нерасходуемым электродом предназначена для выплавки тугоплавких металлов и сплавов. Дуговая печь позволяет получать температуры до 5000 С и изготавливать гомогенные слитки сплавов весом до 200 г. Плавку осуществляют по принципу автотигля, когда расплавленный образец отделен от медного охлаждаемого пода тонкой твердой прослойкой материала образца. Дуговую плавку проводят в защитной атмосфере.
Аморфные сплавы-припои получали на установке Кристалл-702 (рис, 2,1), предназначенной для изготовления аморфных и микрокристаллических сплавов различных составов с температурой плавления до 1600 "С в виде ленты толщиной 15-80 мкм и шириной от 1,5 до 50 мм методом быстрого затвердевания расплава со скоростью 104-10б С/с на вращающемся медном диске [34]. Слитки сплавов, предварительно полученные в дуговой печи, помещаются в кварцевый или керамический питатель 8, имеющий капиллярное сопло. Питатель, в свою очередь, помещается внутрь индуктора 10. Слитки разогреваются до требуемой температуры с помощью высокочастотного генератора 2. Давлением эжекции, создаваемым системой напуска газа 4, расплав через сопло питателя выдавливается на быстровращающийся закалочный диск 12. Площадь поверхности расплава при этом многократно вырастает и, соответственно, возрастает скорость отвода тепла из расплава в металл диска; происходит «мгновенное» затвердевание расплава. Под действием термических напряжений и центробежной силы затвердевший материал в виде тонкой ленты 17 отделяется от диска с помощью специального лентосъемника 13. Далее лента попадает в лентоприемник 16. Процесс изготовления АМС-лент проводят в контролируемой газовой среде (аргон, гелий), создаваемой с помощью системы создания вакуума и напуска инертного газа 15.
Требования к припою
Канальное устройство (рис. 1.2.) размещается вертикально в баке реактора ИВВ-2М. Хвостовик (1), расположенный в нижней части канального устройства, устанавливается в опорной решетке, таким образом, что облучаемая часть находится в активной зоне, а образцы в центре активной зоны реактора. Корпус канального устройства (2) имеет наружный диаметр 60 мм в активной зоне и расположен в боковой ловушке (БЛ), представляющей собой полость, заполненную водой и окруженную шестью тепловыделяющими сборками. Сечение боковой ловушки представляет собой шестигранник размером под ключ 64 мм.
Корпус облучательного устройства обеспечивает теплосъем при протоке теплоносителя реактора сверху вниз.
Канальное устройство снабжено газоподводным (4) и газоотводным (5) штуцерами для стыковки с трубопроводами и создания требуемой газовой среды в канале от газовакуумного стенда «Урал». При необходимости газоотвод можно осуществлять через газоподводный штуцер и наоборот.
В верхней части канального устройства расположен оголовок (6), обеспечивающий герметичность канального устройства. С разъемом на оголовке стыкуются кабельные трассы для управления системами и узлами канального устройства, а также для сбора информации (сигналы с термопар).
В верхней части канального устройства расположены штуцеры (7), через которые осуществляется подвод теплоносителя (воды) в экспериментальный канал.
В облучаемой части канального устройства размещена коррозионная камера с образцами (8).
Конструкция канального устройства обеспечивает требуемые условия облучения (температура, нейтронные и у-потоки, состав теплоносителя и возможность его замены).
Высота активной зоны реактора ИВВ-2М составляет 500 мм. На рис. 1.3 показано распределение нейтронного потока по высоте активной зоны. Исходя из данного распределения, на расстояниях ±100 мм от центра A3 обеспечивается поддержание нейтронного потока с точностью ±10 %.
Температура на образцах достигается за счёт их саморазогрева в у-поле реактора. Получение требуемой температуры образцов обеспечивается за счет выбора газовых зазоров между корпусом коррозионной камеры и канала.
Кроме того, дополнительная регулировка температуры может осуществляться за счет изменения газового зазора между корпусом коррозионной камеры и канала путем перемещения коррозионной камеры с помощью подъемного механизма (9). Изменение зазора происходит за счет конусного исполнения коррозионной камеры и канального устройства в области активной зоны.
Измерение температуры осуществляется с помощью термопар типа КТМС.
Система управления, регистрации, сбора и обработки данных размещена в стойках пультового помещения с выводом сбора информации на ПК типа IBM Pentium.
В систему управления, регистрации, сбора и обработки данных (рис. 1.1.) входят: блок регистрации, блок управления подъемным механизмом, блок аналого-цифровых преобразователей, типа ADAM и ПК типа IBM Pentium, а также кабельные трассы от канального устройства до клеммной коробки физзала реакторной установки, а затем до пультового помещения.
Для сбора информации используется программное обеспечение «GENIE» v.2. Его использование позволяет проводить непрерывный контроль температуры в коррозионной камере при выходе на режим и в процессе эксперимента.
Сравнение паяных швов, выполненных с использованием аморфного и кристаллического припоев на основе циркония
Для сравнения влияния исходного структурного состояния на характеристики паяных соединений были приготовлены образцы с использованием аморфного и кристаллического припоев 2г - 5,5 Fe - 1 Nb - 2,5 Be (мас. %) по следующей методике. От кристаллического слитка, использованного для получения аморфной ленты, брали кусок, из которого на электроискровом станке нарезали пластины толщиной 150-250 мкм. Далее пластинки шлифованием на наждачной бумаге утоняли до толщины близкой толщине аморфной ленты (толщина аморфного припоя составляла 40 мкм). К сожалению, кристаллический припой толщиной 40 мкм получить не удалось, т.к. при толщине менее 50 мкм пластинки при шлифовании разламывались. Поэтому использовали пластинки кристаллического припоя толщиной 50 мкм. Перед пайкой аморфный и кристаллический припои фиксировали на образцах методом лазерной сварки. Пайку образцов проводили на установке АЛА-ТОО одновременно, чтобы режим пайки образцов был полностью идентичным: температура пайки - 900 С, выдержка - 1 мин. Диффузионный отжиг после цикла пайки не производили.
Для изготовления шлифов паяные образцы разрезали на электроискровом станке. Шлифы изготавливали по стандартной методике. На рис. 4.1 представлены изображения микроструктур паяных швов, полученные в отраженных электронах на растровом электронном микроскопе «CamScan - 4DV» (п. 2.5.2). На данных рисунках можно различить три типа областей: 1-й - наиболее светлое поле, соответствует основному металлу, 2-й - более темная промежуточная по контрасту область соответствует обогащению по железу, 3-й - самый темный по контрасту участок - это обогащение по бериллию. На рис. 4.2 представлены изображения в характеристических рентгеновских лучах циркония.
Как видно из приведенных рисунков, при использовании аморфного припоя ширина паяного шва существенно меньше и выделившиеся интерметаллиды более мелкие и их меньше, чем в случае использования кристаллического припоя. По картам распределения элементов (рис. 4.2) и из табл. 4.1 видно, что в случае использования быстрозакаленпой ленты паяный шов имеет более равномерное распределение элементов.
Главным критерием в оценке годности паяного соединения является характер его разрушения. Например, отрыв по металлу свидетельствует о годности соединения (п. 2.5.5). Разрушение паяных образцов шло по основному металлу.
Для оценки влияния длительности коррозионных испытаний на прочность паяного соединения также были проведены испытания образцов на отрыв паяных элементов припоем Zr - 5,5 Fe - 2,5 Be - 1 Nb - 8 Си - 2 Sn - 0,4 Сг (мас. %) после выдержки в течение 1000 и 2000 часов в автоклавах, результаты которых представлены в табл. 4.2.
