Совершенствование состава и структуры сплавов циркония в обеспечение работоспособности твэлов, ТВС и труб давления активных зон водоохлаждаемых реакторов с увеличенным ресурсом и выгоранием топлива

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

доктора технических наук

Совершенствование состава и структуры сплавов циркония в обеспечение работоспособности твэлов, ТВС и труб давления активных зон водоохлаждаемых реакторов с увеличенным ресурсом и выгоранием топлива

Специальность - 05.16.01 «Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов»

Маркелов В.А.

Москва - 2010

Работа выполнена в ОАО «ВНИИНМ»

«Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика А.А. Бочвара»

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор

Кудря Александр Викторович (НИТУ «МИСиС»)

Доктор технических наук,

профессор

Рязанцев Евгений Петрович (РНЦ «КИ»)

Доктор технических наук,

Ватулин Александр Викторович (ОАО «ВНИИНМ»)

Ведущая организация: Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ НАИМЕНОВАНИЙ

АЭС - атомная электрическая станция;

АЗ - активная зона;

ВВЭР - водо-водяной энергетический реактор (корпусного типа);

PWR - Pressurized Water Reactor (реактор с водой под давлением корпусного типа);

BWR - Boiling Water Reactor (реактор с кипящей водой корпусного типа);

РБМК - реактор большой мощности кипящий (канального типа);

CANDU - CANada Deuterium Uranium (реактор канального типа);

твэл - тепловыделяющий элемент;

ТВС - тепловыделяющая сборка (кассета);

НК - направляющий канал ТВС;

ЦТ - центральная труба ТВС;

ДР - дистанционирующая решётка ТВС;

ТК - топливный (технологический) канал;

Труба давления в реакторе CANDU соответствует трубе ТК в реакторе РБМК;

ТК СУЗ - технологический канал системы управления защитой;

КИУМ - коэффициент использования установленной мощности;

ВХР - водно-химический режим;

PCI - Pellet Cladding Interaction (взаимодействие топлива с оболочкой, аналогично коррозионному растрескиванию под напряжением -КРН);

PCMI - Pellet Cladding Mechanical Interaction (механическое взаимодействие топлива с оболочкой);

LOCA - loss-of-coolant accident - авария с потерей теплоносителя;

ЛГО - локальная глубина окисления;

RIA - reactivity-initiation accident - реактивностная авария;

ЗГР - замедленное гидридное растрескивание;

МАГАТЭ - международное агентство по атомной энергии;

АКОРТ - аппарат контроля относительного роста трещины;

АССД - автоматизированная система сбора данных;

ТУ - технические условия

НИР - научно-исследовательская работа

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность

Стратегией развития атомной энергетики России доминирующая роль отводится водоохлаждаемым энергетическим реакторам на тепловых нейтронах, на которых базируется в настоящее время атомная энергетика во всём мире и в нашей стране. Рентабельность и конкурентоспособность водоохлаждаемых реакторов зависит от эффективности использования топлива, определяемой глубиной достигнутого выгорания и эксплуатационной гибкостью топливного цикла. К числу наиболее важных факторов, определяющих работоспособность и безопасность твэлов и ТВС при высоких выгораниях, относится уровень функциональных свойств циркониевых сплавов, из которых эти и другие конструктивные элементы АЗ изготавливаются.

В реакторах ВВЭР-1000 существенной проблемой является прогиб бесчехловых ТВС из-за недостаточной жёсткости конструкции, достигающий в ТВС предыдущих поколений 30 мм, что приводит к затруднению аварийного срабатывания органов регулирования СУЗ, замедляет транспортно-технологические операции при перегрузке кассет и снижает технико-экономические показатели эксплуатации реактора. Для решения проблемы искривления АЗ разработаны ТВС нового поколения (ТВСА и ТВС-2), с использованием в качестве материала силовых элементов каркаса радиационно-стойкого сплава Э635, что потребовало оптимизации его состава и структурно-фазового состояния. Следующий шаг предусматривает внедрение высокоэффективных топливных циклов (18-24 месяца между перегрузками, увеличение загрузки урана) для повышения КИУМ реактора до 107 % N_НОМ на действующих АЭС с реакторами ВВЭР и перспективных энергоблоках проекта АЭС-2006. Использование таких циклов сопровождается маневрированием мощностью 100-20-100 % до 2-х раз в сутки, увеличением длительности эксплуатации и выгорания топлива (от 42 до 80 МВт·сут/кг U по твэлу), повышением температуры оболочки твэла и увеличением паросодержания в теплоносителе. Более жёсткие условия эксплуатации предъявляют повышенные требования к функциональным свойствам циркониевых сплавов и вызывают необходимость их совершенствования применительно к оболочкам твэлов и комплектующим каркаса новых ТВС энергоблоков ВВЭР и АЭС-2006.

За рубежом в наибольшей степени развиваются реакторы PWR, по концепции близкие к ВВЭР, в связи с чем, ГК «Росатом» и ОАО «ТВЭЛ» поставили задачу выхода на рынок этих реакторов с отечественной разработкой ТВС-КВАДРАТ. Решение задачи невозможно без использования в ТВС-КВАДРАТ конкурентоспособных сплавов циркония. Для этого российские сплавы по функциональным свойствам в условиях PWR должны не уступать своим зарубежным аналогам и обеспечить проектные параметры эксплуатации твэлов и ТВС.

Развитие атомной энергетики связывается также с продлением ресурса действующих реакторов канального типа - РБМК и CANDU. При этом за рубежом разрабатываются более энергоёмкие и конкурентоспособные ядерные установки этого типа. Важнейшими элементами конструкции канальных реакторов являются трубы давления, от целостности которых зависит нормальная эксплуатация и безопасность АЭС. Проектный ресурс канальных реакторов составляет 30 лет, однако трубы давления из сплавов циркония эксплуатируют меньше проектного срока. Наблюдались случаи разгерметизации труб ТК и ТК СУЗ в реакторах РБМК. В ещё большей степени эта проблема характерна для труб давления CANDU. Поэтому задача совершенствования материала труб давления для канальных реакторов является исключительно важной.

Функциональные свойства сплавов циркония определяются их составом и структурой. В АЗ реактора циркониевые компоненты претерпевают существенные структурно-фазовые изменения, приводящие к изменению механических свойств, коррозии, наводороживанию, формоизменению (радиационные ползучесть и рост) и взаимодействию с продуктами деления топлива. Знание закономерностей таких изменений в зависимости от состава и исходной структуры сплавов циркония облегчает выбор материала для конкретного применения в качестве оболочки твэла, трубы давления или деталей каркаса ТВС. При этом необходимо максимально использовать потенциал существующих и хорошо зарекомендовавших себя длительным опытом эксплуатации сплавов циркония, путём оптимизации и модернизации их легирующего, шихтового и примесного состава. В этом плане, большое значение имеет переход на циркониевую губку в качестве шихтовой основы сплавов циркония, требующий при этом изучения и обоснования всего комплекса свойств сплавов. Переход на губку выгоден, в первую очередь, экономически, так как позволяет с меньшими затратами получать особо чистый Zr c содержанием Hf < 100 ppm, что важно для расширения поставок российского топлива на зарубежном рынке. Кроме этого, применение губки, как основы сплавов, стабилизирует и повышает стойкость к окислению и пластичность оболочки твэла в условиях проектных аварий LOCA, обеспечивая критерии безопасности. Не до конца также реализованы и возможности управления структурно-фазовым состоянием и кристаллографической текстурой сплавов циркония путём усовершенствования технологических процессов изготовления изделий.

Использование в полном объёме вышеуказанных возможностей в совершенствовании сплавов циркония и изделий из них для повышения работоспособности и безопасности твэлов, ТВС и труб давления водоохлаждаемых реакторов в стратегии инновационного развития атомной энергетики России и определяет актуальность настоящей работы.

Актуальность диссертационной работы подтверждается выполнением её в рамках научных договоров и контрактов ОАО «ВНИИНМ», финансируемых ГК «Росатом» и ОАО «ТВЭЛ» по направлениям, определённым ФЦП «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007-2010 годы и на перспективу до 2015 года», ФЦП «Топливо и энергия» - «Программа развития атомной энергетики РФ на 1998-2005 г.г. и на период до 2010 г.», отраслевой Программой «Эффективное топливоиспользование на АЭС в период 2008-2010 годы и на перспективу до 2015 года» и корпоративной Программой «Обеспечение потребностей атомной энергетики и промышленности конкурентоспособными циркониевыми материалами и изделиями», рассчитанной на 2009-2015 годы, а также в рамках международного сотрудничества по проекту МНТЦ №1635р.

Цель работы

Обеспечение работоспособности и безопасности твэлов, ТВС и труб давления в активных зонах водоохлаждаемых энергетических реакторов типа ВВЭР, PWR, РБМК и CANDU с увеличенным ресурсом и выгоранием топлива путём совершенствования состава и структурно-фазового состояния сплавов циркония, включая разработку новых модификаций сплавов и технологических схем изготовления изделий с высоким уровнем эксплуатационных свойств.

Основные задачи:

1) Определение направлений совершенствования состава и структуры сплавов циркония в обеспечение требований к функциональным свойствам, предъявляемых к оболочкам твэлов и силовым элементам каркаса ТВС реакторов ВВЭР и PWR, и трубам давления реакторов РБМК и CANDU, применительно к увеличенным ресурсам и выгораниям топлива, и для конкурентоспособности этих изделий на зарубежном рынке.

2) Совершенствование состава, шихтовой циркониевой основы и структуры сплава Э110, повышение требований к геометрическим размерам и поверхностной обработке оболочечных труб для обеспечения безопасной эксплуатации твэлов с увеличенной загрузкой топлива в перспективных топливных циклах реакторов ВВЭР и в условиях ВХР реактора PWR.

3) Исследование влияния легирующих элементов и структурных факторов на сопротивление разрушению, радиационную стойкость и коррозию сплава Э635, и определение путей и способов управления этими характеристиками для применения сплава в качестве материала оболочек твэлов, труб давления и силовых элементов каркасов ТВСА и ТВС-2 для исключения искривления ТВС нового поколения ВВЭР-1000.

4) Выявление основных факторов, определяющих вязкость разрушения и сопротивление ЗГР сплавов циркония. Разработка технологических схем изготовления усовершенствованных труб давления с повышенной стойкостью к ЗГР для реактора CANDU и труб ТК и ТК СУЗ со стабильной структурой и свойствами для реактора РБМК.

Научная новизна работы:

1. Установлены закономерности, дополняющие представления о влиянии кислорода и железа на механические свойства, ползучесть и коррозионную стойкость сплава Э110 на основе губчатого и электролитического циркония.

2. Обосновано и экспериментально подтверждено направление совершенствования сплава Э110 для оболочек твэлов водоохлаждаемых реакторов путём легирования кислородом и железом до 1500 ppm каждого в обеспечение конкурентных характеристик оболочек твэлов по радиационному формоизменению.

3. Впервые определены закономерности поведения при высокотемпературном окислении иодидного циркония как основы сплава Э110 и экспериментально обосновано его применение в качестве шихтовой составляющей при выплавке сплавов на губчатом цирконии для труб оболочек твэлов с требуемой пластичностью в проектных авариях типа LOCA.

4. Впервые выявлены два типа выделений второй фазы в сплаве Э635 - частицы фазы Лавеса - Zr(Nb,Fe)₂ и Т-фазы - (Zr,Nb)₂Fe, количественное соотношение, размер, и распределение в матрице которых зависят от содержания железа и ниобия в сплаве и режимов его деформационной и термической обработки, и которые, наряду с рекристаллизацией, определяют вязкость разрушения, технологическую пластичность и коррозионную стойкость сплава.

5. Впервые показаны характерные особенности эволюции структурно-фазового состояния сплава Э635 под облучением при температурах 285-355 єС, связанные с диффузионной подвижностью железа, и обусловливающие повышенное упрочнение и сопротивление сплава радиационному формоизменению. В зависимости от флюенса и температуры железо диффундирует из частиц фазы Лавеса в матрицу, способствуя развитию процессов рекристаллизации сплава и сдерживанию образования дислокационных петель c <с>-компонентой. Одновременно с этим в объёме материала происходит выделение вторичных радиационно-индуцированных мелкодисперсных частиц.

6. Выделены основные факторы - текстура и прочность, определяющие вязкость разрушения и сопротивление ЗГР сплавов циркония, и установлены основные закономерности и количественные взаимосвязи между ними. Определены температурные зависимости и энергии активации скорости ЗГР для сплава Zr-2,5%Nb с различным структурно-фазовым состоянием и прочностью.

7. Впервые при испытаниях на вязкость разрушения и ЗГР материала труб давления и оболочек твэлов из сплавов циркония предложен способ регистрации роста трещины методом падения потенциала с использованием переменного электрического тока сети и сформулированы принципы создания на основе этого метода измерительной аппаратуры.

Практическая ценность и реализация результатов работы:

1. Усовершенствованные составы и структурные состояния сплавов циркония использованы в конструкциях твэлов и ТВС нового поколения для высокоэффективных топливных циклов с глубиной выгорания на уровне 70-80 МВт·сут/кгU в действующих реакторах ВВЭР-1000 и перспективных энергоблоках АЭС-2006, а также для ТВС-КВАДРАТ реактора PWR.

2. Внедрены в серийное производство и эксплуатацию сплав Э110 с оптимизированным содержанием кислорода (600-990 ppm) и железа (250-700 ppm) и оболочечные трубы из этого сплава со шлифованной наружной поверхностью и повышенными требованиями к геометрическим размерам по ТУ 001.392-2006 для штатных твэлов и твэлов ВВЭР-1000 с увеличенной загрузкой топлива, что позволило:

- разработать высокоэффективные топливные циклы длительностью до 18 месяцев между перегрузками;

- стабилизировать проектный запас оболочек твэлов по сопротивлению формоизменению;

- повысить технико-экономические показатели и уровень экологии (ограничение применения травильных ванн) в производстве труб для оболочек твэлов;

- повысить эффективность (снижение усилий) сборки кассет ВВЭР-1000.

Экономический эффект от внедрения в производство оболочечных труб из сплава Э110 опт на основе губки по ТУ 001.392-2006 составил 29,87 млн. рублей в расчёте на блок реактора ВВЭР-1000 для АЭС «Темелин».

3. Рекомендовано и внедрено в производство применение иодидного циркония в качестве шихтовой составляющей при выплавке сплава Э110 опт на основе губки для оболочек твэлов в обеспечение требуемой пластичности при проектных авариях типа LOCA.

4. Результаты по оптимизации состава и структурно-фазового состояния сплава Э635 использованы при обосновании, постановке на производство и внедрении этого сплава в качестве материала силовых элементов каркаса ТВС нового поколения ВВЭР-1000. В сочетании с другими конструкторскими решениями это обеспечило устойчивость к формоизменению и геометрическую стабильность новых ТВС, и позволило ускорить транспортно-технологические операции при перегрузке кассет, что, в целом, существенно повысило технико-экономические показатели эксплуатации реактора.

Разработка и внедрение усовершенствованных техпроцессов изготовления центральных труб и труб для НК ТВС ВВЭР-1000, а также полос для уголков жёсткости каркаса ТВСА из сплава Э635 позволили существенно увеличить выход годной продукции и получить экономический эффект на конец 2009 г. в размере ~ 480 млн. рублей. При этом исключены случаи растрескивания уголков в производстве каркасов ТВСА и повышена их эксплуатационная надёжность.

5. Разработаны технологические схемы получения труб давления CANDU из сплавов Zr-2,5%Nb и Э635 с повышенным сопротивлением ЗГР в обеспечение их работоспособности на проектный ресурс реактора. В ОАО «ЧМЗ» изготовлены усовершенствованные трубы полномасштабного размера по требованиям зарубежной спецификации и показана принципиальная возможность постановки на серийное производство изделий такой номенклатуры.

Разработанная технология применима для изготовления усовершенствованных труб ТК реактора РБМК из сплава Э125 с получением изделий со стабильной структурой и однородными свойствами.

Для стабилизации механических свойств и повышения трещиностойкости штатных труб ТК и труб каналов СУЗ реактора РБМК разработан и рекомендован к внедрению способ их конечной обработки, обеспечивающий существенное повышение и выравнивание степени рекристаллизации материала.

6. Создан и применяется в ОАО «ВНИИНМ» при испытаниях на вязкость разрушения и ЗГР образцов изделий из сплавов циркония измерительный программно-аппаратный комплекс «АКОРТ-АССД», включающий «Аппарат контроля относительного размера трещины» методом падения потенциала с использованием переменного электрического тока сети и прибор «Автоматизированной системы сбора данных».

На защиту выносятся:

1. Результаты обоснования и внедрения в серийное производство и эксплуатацию сплава Э110 на штатной и губчатой основах с оптимизированным содержанием кислорода и железа и оболочечных труб из него, изготовленных по новым ТУ 001.392-2006 на трубы с повышенными требованиями к допускам на геометрические размеры и шлифованной наружной поверхностью, для штатных твэлов и твэлов ВВЭР-1000 с увеличенной загрузкой топлива.

2. Результаты исследований по высокотемпературному окислению в обоснование применения иодидного циркония в качестве шихтовой составляющей при выплавке слитков сплава Э110 на основе губчатого циркония для труб оболочек твэлов с требуемой пластичностью при проектных авариях типа LOCA.

3. Результаты исследований, дополняющие обоснование состава сплава Э110М, для промышленного освоения и применения в качестве материала оболочек твэлов ВВЭР-1000 и ТВС-КВАДРАТ реактора PWR.

4. Комплекс результатов исследований по взаимосвязи состава, структурно-фазового состояния, режимов деформационно-термической обработки и свойств сплава Э635 до и после облучения, позволивший:

- выявить структурные факторы сплава, определяющие его технологические и эксплуатационные свойства;

- оптимизировать состав сплава для применения в качестве материала силовых элементов ТВС нового поколения (ТВСА и ТВС-2) ВВЭР-1000;

- усовершенствовать технологические схемы изготовления изделий (полосы, труб НК и ЦТ) для ТВСА и ТВС-2.

5. Результаты исследований в обоснование состава сплава Э635М и его применения для оболочек твэлов и труб НК ВВЭР-1000 и ТВС-КВАДРАТ реактора PWR.

6. Количественные закономерности и взаимосвязи между параметрами вязкости разрушения, сопротивления ЗГР и характеристиками текстуры, структуры и прочности труб давления из сплавов циркония.

Температурные зависимости и энергии активации скорости ЗГР для труб давления из сплава Zr-2,5%Nb различного уровня прочности.

7. Способ деформационной и термической обработки при изготовлении труб давления CANDU из сплавов Zr-2,5%Nb и Э635 с получением изделий c повышенной стойкостью к ЗГР, стабильно высокой вязкостью разрушения и однородной прочностью по длине труб и экспериментальное обоснование применимости этого способа для труб ТК РБМК.

Способ конечной обработки труб ТК и труб каналов СУЗ из сплава Э125 реактора РБМК для повышения их трещиностойкости, стабилизации механических свойств и сопротивления ползучести за счёт повышения и выравнивания степени рекристаллизации материала.

Апробация работы

Основные результаты диссертации доложены и обсуждены на 3-й международной конференции «Эволюция микроструктуры в металлах под облучением» (г. Мускока, Канада, 1992), 11-м, 15-м и 16-м международных симпозиумах ASTM «Цирконий в атомной индустрии» (1995 - г. Гармиш, Германия; 2007 - г. Санривер, США; 2010 - г. Ченду, Китай), на 2-м семинаре «Ядерные материалы и технологии» (г. Тайджон, Ю. Корея, 1996), 1-й Европейской конференции по механике материалов «Локальные подходы к разрушению» (г. Фонтенбло, Франция, 1996), российско-канадских семинарах (1998 - г. Торонто, Канада; 2001 - г. Анси, Франция), 4-й, 5-й, 9-й и 10-й конференциях по реакторному материаловедению (г. Димитровград, 1995, 1997, 2007, 2009), 11-м международном симпозиуме по цирконию (г. Ксиан, Китай, 2000), 5-м и 6-м международных симпозиумах «Вклад в исследование материалов для решения проблем и повышения безопасности реакторов LWR» (г. Фонтевро, Франция, 2002, 2006), 1-й, 2-й, 3-й и 4-й Евразийских научно-практических конференциях «Прочность неоднородных структур» (г. Москва, 2002, 2004, 2006, 2008), 1-й и 4-й научно-практических конференциях материаловедов России (г. Звенигород - 2002, 2008), Международных конференциях по работоспособности топлива водоохлаждаемых реакторов (2005 - г. Киото, Япония; 2008 - г. Сеул, Ю.Корея), Международной конференции «TopFuel 2006» (г. Саламанка, Испания, 2006), 5-й международной научно-технической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» (г. Подольск, 2007), 1-й, 2-й, 3-й Российских научных конференциях «Материалы ядерной техники» (г. Агой - 2003, 2005, г. Звенигород - 2007), конференции НТК-2008 «Ядерное топливо нового поколения для АЭС. Результаты разработки, опыт эксплуатации и направления развития» (г. Москва, 2008), 6-й, 7-й и 8-й международных конференциях «Поведение топлива ВВЭР, моделирование и экспериментальная поддержка» (2005, 2007 - г. Альбена; 2009 - г. Хелена Ресорт, Болгария), российско-чешско-словацком научно-техническом семинаре «Опыт изготовления, эксплуатации и перспективы совершенствования топлива и топливных циклов АЭС с реакторами типа ВВЭР» (г. Либерец, Чехия, 2009), международном семинаре «Расчетные и экспериментальные исследования поведения твэлов LWR в условиях запроектных аварий и повторных заливов» (г. Москва - 2009),

Полученные результаты явились также составной частью работ, ставших лауреатами первой и двух вторых премий Бочваровского конкурса ОАО «ВНИИНМ» 1999, 2004 и 2006 годов.

Личный вклад автора

С 1985 г. проведение в качестве научного руководителя или ответственного исполнителя работ по изучению функциональных свойств и структуры циркониевых материалов во внереакторных условиях и после реакторного облучения, совершенствованию составов и деформационно-термических обработок сплавов при изготовлении циркониевых изделий для твэлов и ТВС водоохлаждаемых реакторов.

Непосредственное участие в выполнении комплекса исследований по изучению взаимосвязи состава, структурно-фазового состояния, режимов деформационно-термической обработки и свойств сплава Э635 до и после облучения. Это позволило оптимизировать состав сплава Э635 и внедрить его для промышленного применения в качестве материала силовых элементов ТВС нового поколения (ТВСА и ТВС-2) и оболочек твэлов для опытной эксплуатации в ВВЭР-1000.

Разработка и развитие отечественных методик испытаний образцов труб из сплавов циркония на ЗГР и вязкость разрушения по рекомендациям МАГАТЭ, определение основных факторов, обеспечивающих изделиям из сплавов циркония высокую вязкость разрушения и стойкость к ЗГР, и установление закономерностей их связывающих.

Научное руководство разработкой и внедрением в серийное производство и эксплуатацию сплава Э110 оптимизированного состава и усовершенствованных техпроцессов изготовления труб НК, ЦТ и полос из сплава Э635 для каркасов ТВС нового поколения ВВЭР-1000.

Разработка технологической схемы, обеспечивающей трубам давления канальных реакторов повышенное сопротивление ЗГР, и научное руководство изготовлением и исследованиями полномасштабных труб.

Внесение непосредственного вклада в разработку патентов на сплав Э635 и способ его обработки, патенты на трубы давления, способы получения плоского профиля и термомеханической обработки труб из бинарных цирконий-ниобиевых сплавов.

Публикации

Основное содержание диссертации опубликовано в 50 статьях, 30 из которых в реферируемых журналах, рекомендованных ВАК; получено 7 патентов РФ и 5 приоритетов Европы, США, Японии, Ю.Кореи и Канады.

Структура и объём диссертации

Диссертация изложена на 280 страницах и состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 122 рисунка, 96 таблиц, библиографический список из 312 источников и приложение с актами об использовании результатов диссертационной работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Требования к функциональным свойствам сплавов циркония для водохлаждаемых реакторов и направления совершенствования сплавов

В России для твэлов и топливных сборок водоохлаждаемых реакторов на тепловых нейтронах применяются три сплава циркония, химический состав которых по легирующим элементам приведен в таблице 1.

Таблица 1 - Сплавы циркония для активных зон отечественных и зарубежных реакторов на тепловых нейтронах

Наименование сплава (страна и год разработки)	Массовая доля легирующего элемента, %
	Nb	Sn	Fe	Cr	Ni	O
	Э110 (Россия, 1958 г.)	0,90-1,10	-	< 0,05	-	-	< 0,099
	Э125 (Россия, 1958 г.)	2,4-2,7	-	< 0,05	-	-	< 0,099
^	Э635 (Россия, 1971г.)	0,90-1,10	1,10-1,30	0,30-0,40	-	-	0,05-0,12
	Zry-2 (CШA, 1952 г.)	-	1,20-1,70	0,07-0,20	0,05-0,15	0,03-0,08	0,10-0,14
	Zry-4 (CШA, 1952 г.)	-	1,20-1,70	0,18-0,24	0,07-0,13	-	0,10-0,14
	Zr-2,5Nb (Канада)	2,5-2,8		< 0,065	-	-	0,10-0,14
^	ZIRLO (США, 1990 г.)	0,90-1,10	0,90-1,10	0,09-0, 11	-	-	0,10-0,16
	М5 (Франция, 1996 г.)	0,80-1,20	-	0,015-0,06	-	-	0,11-0,17
^	NDA (Япония, 1997 г.)	0,1	1,0	0,27	0,16	0,01	0,09-0,13
^	MDA (Япония, 1997 г.)	0,45-0,55	0,7-0,9	0,18-0,24	0,07-0,13	-	0,09-0,13
Обозначение системы сплавов: Zr-Nb; ^ Zr-Nb-Sn-(Fe,Cr); Zr-Sn-(Fe,Cr,Ni)

Сплав Э110 используется в качестве материала оболочек и заглушек твэлов, и ДР ТВС. Сплав Э635 применяется как материал ЦТ, НК и уголков жёсткости каркасов ТВС-2 и ТВСА и их модификаций для ВВЭР-1000. Сплав Э125 используется для чехлов ВВЭР-440 и 5-го блока ВВЭР-1000 Нововоронежской АЭС, а также для труб ТК, каналов СУЗ и ЦТ ТВС РБМК. Твэлы и топливные сборки с использованием указанных материалов удовлетворяют проектным параметрам действующих реакторов.

Наибольший вклад в разработку отечественных сплавов циркония и становление циркониевого производства в России внесли видные российские учёные Амбарцумян Р.С., Займовский А.С. и Никулина А.В. Развитие сплавов циркония при непосредственном участии А.В. Никулиной продолжается, о чём свидетельствуют разработанные под её научным руководством сплавы Э110М и Э635М.

В мире промышленное применение нашли циркониевые сплавы 3-х систем (таблица 1). К первым двум, включающим ниобий, относятся российские сплавы. К третьей - зарубежные сплавы типа Zircaloy (Zry-2, Zry-4). Высокий уровень эксплуатационных характеристик сплавов Э110 и Э635 в определённой степени явился побудительным мотивом разработки за рубежом в начале и середине 1990-х годов сплавов ZIRLO и М5 для применения в PWR. В это же время на базе сплавов Zircaloy были разработаны и внедрены в промышленную эксплуатацию для оболочек твэлов PWR в Японии сплавы NDA и MDA. Совершенствование и разработка циркониевых сплавов за рубежом активно продолжаются, и наметилась тенденция возможности их применения в конструкциях российских реакторов ВВЭР, эксплуатирующихся в других странах.

В условиях возросшей конкуренции со стороны зарубежных разработчиков и поставщиков топлива обеспечение эффективности использования и поддержание конкурентоспособности российского топлива ВВЭР требует совершенствования существующих и разработки новых модификаций отечественных сплавов циркония, включая переход на циркониевую губку в качестве шихтовой основы сплавов.

Выбор сплава для конкретного изделия топливной сборки реактора определяется исходя из условий эксплуатации, функционального назначения и требований к свойствам этого элемента.

Материал оболочки твэла и деталей ТВС реакторов ВВЭР и PWR в течение проектной кампании должен отвечать требованиям, к которым, в первую очередь, относятся:

- высокая коррозионная стойкость (толщина оксидной плёнки не более 60 мкм);

- низкая степень наводороживания (не более 400 ppm H₂);

- повышенное сопротивление формоизменению (радиационному росту и радиационно-термической ползучести);

- безусловное выполнение для оболочки твэла критериев проектных аварий LOCA (остаточная пластичность ?1%) и RIA.

Для обеспечения надёжности твэлов материал оболочки должен также обладать стойкостью к разгерметизации по механизмам PCI и PCMI, связанным с взаимодействием с топливной таблеткой, ползучестью и водородным охрупчиванием, включая ЗГР.

Кроме этого, стоят задачи перехода на 5-6-ти годичные топливные кампании для твэлов и ТВС ВВЭР-1000 и работы реактора в условиях форсирования мощности при 18-ти и 24-х месячных циклах между перегрузками. Для эксплуатации в таких циклах разработаны твэлы нового поколения с увеличенной загрузкой топлива, для которых выставлены более жёсткие требования к геометрическим размерам и поверхностной обработке оболочечных труб, включающие:

- утонение оболочки до номинальной толщины 0,57 мм за счёт увеличения

внутреннего диаметра;

- введение требования по разнотолщинности;

- ужесточение допусков на наружный диаметр;

- снижение величины коэффициента шероховатости поверхности.

При этом материалы силовых элементов каркаса ТВС (НК, уголки жёсткости) в сочетании с другими конструктивными решениями должны обеспечивать устойчивость к формоизменению и геометрическую стабильность ТВС нового поколения в течение всего ресурса эксплуатации для ускорения транспортно-технологических операций при перегрузке кассет и повышения в целом технико-экономических показателей эксплуатации реактора.

В связи с решением таких задач требования к свойствам материала оболочек твэлов и деталей ТВС с точки зрения коэффициентов запаса для конструкторских расчётов в техническом проектировании твэлов и ТВС возрастают.

Необходимость повышения запаса по функциональным свойствам сплавов циркония, подтверждается проектом АЭС-2006.

Твэлы и ТВС в активной зоне реактора ВВЭР-1200 (АЭС-2006) будут эксплуатироваться в более жёстких условиях по сравнению с ВВЭР-1000 (таблица 2).

Для использования российских сплавов в реакторах PWR материал оболочки твэла должен обеспечивать сопротивление коррозии в литиевом ВХР (до 12 ppm Li) с паросодержанием до 20% в 5-ти годичной топливной кампании с глубиной выгорания по твэлам до 75 МВтсут/кг U.

Таблица 2 - Условия эксплуатации твэлов и ТВС в ВВЭР-1200 и ВВЭР-1000

Эксплуатационные параметры	ВВЭР-1000	ВВЭР-1200
Температура теплоносителя номинальная вход/выход	290/320	298/330 °С
Температура оболочки твэла	до 352 °С	до 360 °С
Температура направляющего канала	320 °С	330 °С
Давление теплоносителя абсолютное на выходе из а.з., МПа	15,7	16,2
Глубина выгорания по твэлу, МВт•сут/кгU	54 (72)	до 80
Массовое паросодержание теплоносителя в струе, % масс.	5	13
Время нахождения (кампания) топлива в АЗ, год	4 (5)	5-6
Маневрирование мощностью	100-80-100 % 1 раз в сутки	100-20-100 % 2 раза в сутки

Коррозия циркониевых сплавов в реакторе с определённого времени сопровождается ускорением по сравнению с автоклавами. Наиболее ярко это выражено для сплавов c оловом типа Zircaloy, для которых коэффициент ускорения коррозии при высоких выгораниях (> 60 МВт•сут/кгU) может достигать величины 5. Испытывают ускорение коррозии также сплавы ZIRLO и Э635.

Для сплавов типа Zr-1%Nb, на примере сплава М5, практически до выгораний 80 МВт сут/кг U в условиях реактора PWR ускорения коррозии не наблюдается. Аналогичное поведение показывает и сплав Э110 в условиях реактора ВВЭР. После 7 лет эксплуатации в ВВЭР-1000 до выгорания 73 МВтсут/кг U толщина оксида на оболочке твэла из сплава Э110 не превышает 10 мкм, при этом и наводороживание сплава низкое - не более (100-120) ppm H₂.

Вместе с тем, анализ формоизменения оболочек твэлов из штатного сплава Э110, в сравнении с оболочками твэлов из сплава Э635 и зарубежных сплавов М5 и ZIRLO, показал на необходимость повышения сопротивления радиационному формоизменению сплава Э110, особенно, при переходе на циркониевую губку в качестве шихтовой основы сплава.

Повысить сопротивление формоизменению сплава Э110 при сохранении его высокой стойкости к равномерной коррозии можно за счёт легирования сплава кислородом и железом. Обусловлен такой подход тем, что кислород эффективен для повышения сопротивления ползучести сплава, железо - для упрочнения сплава под облучением и повышения его сопротивления радиационному росту и стойкости к коррозии в теплоносителе с добавками лития.

Коррозионное поведение оболочек твэлов из сплава Э635 отличается от сплава Э110 и близко к коррозионному поведению в PWR оболочек твэлов из сплава ZIRLO. Сравнительно большая, по отношению к сплаву Э110, толщина оксидной плёнки на оболочках опытных твэлов из сплава Э635 после 3 лет эксплуатации в реакторе ВВЭР-1000 до выгорания 40 МВтсут/кг U равная ~ 40 мкм указывает на необходимость повышения сопротивления равномерной коррозии сплава, при сохранении стойкости к формоизменению и нодулярной коррозии. Повысить сопротивление сплава равномерной коррозии, как показали исследования, можно за счёт снижения в сплаве содержания олова и оптимизации соотношения ниобия к железу.

Другой отличительной особенностью сплава Э635, в сравнении со сплавами Э110 и Э125, является более низкий уровень значений характеристик вязкости разрушения и пластичности, что обусловливает необходимость применения более сложных технологических схем при переработке слитка в изделие. Поэтому задача оптимизации состава сплава Э635 и техпроцессов изготовления изделий из него с формированием структурно-фазового состояния, обеспечивающего максимально возможный уровень вязкости разрушения и пластичности, а также повышенные технико-экономические показатели производства изделий является одним из основных направлений совершенствования этого материала. Такой подход особенно актуален для применения сплава Э635 в качестве материала силовых элементов ТВС нового поколения ВВЭР-1000, внедрение в эксплуатацию которых постоянно расширяется.

В реакторах канального типа, несмотря на проектное обоснование, трубы давления из сплава Э125 (Zr-2,5%Nb) заменяют ранее проектного срока. В РБМК-1000 по причине преждевременного исчерпания зазора между трубой давления и графитовым блоком, вследствие более низкого, чем ожидалось, сопротивления ползучести труб в окружном направлении и неожиданно высокого распухания графита. В реакторах CANDU из-за недостаточной вязкости разрушения и стойкости к ЗГР материала труб, о чём свидетельствуют случаи их разгерметизации при эксплуатации. Разгерметизация по механизму ЗГР имела место и для труб давления РБМК-1000, а также труб каналов СУЗ этого реактора.

Для безопасной эксплуатации канальных реакторов материал труб давления должен обладать характеристиками вязкости разрушения и ЗГР, обеспечивающими принцип концепции защиты «течь перед разрушением». Суть концепции заключается в том, что своевременная регистрация протечки воды, указывающая на наличие сквозной трещины в трубе давления, позволяет остановить реактор до того как трещина станет нестабильной. Применительно к трубам давления CANDU, для которых проблема разгерметизации наиболее актуальна, исходные характеристики вязкости разрушения и ЗГР материала труб должны удовлетворять приведенным в таблице 3 значениям, чтобы гарантированно обеспечить «течь перед разрушением».

Таблица 3 - Требования к характеристикам вязкости разрушения и ЗГР труб давления CANDU

Характеристика	Значение
Вязкость разрушения dJ/da при 250 С	250 МПа
Замедленное гидридное растрескивание при 250 С - К1Н в радиальном направлении трубы - скорость ЗГР в осевом направлении трубы	10 МПам 7Ч10-8 м/с

Стандартные трубы давления CANDU из сплава Zr-2,5%Nb на сегодня имеют недостаточный запас и заметный разброс значений по вязкости разрушения, а по характеристикам ЗГР и вовсе не удовлетворяют требованиям, в связи с чем, задача повышения стойкости к ЗГР труб давления этого реактора является наиболее важной. Помимо этого, для обеспечения эксплуатационной надёжности труб давления CANDU, требуется определённая прочность материала труб, его сопротивление наводороживанию и формоизменению при эксплуатации (ползучесть и радиационный рост). В связи с этим, в качестве материала усовершенствованных труб давления CANDU рассматривается не только сплав Zr-2,5%Nb, а также опробованный для труб ТК РБМК сплав Э635 в его оптимизированном варианте, применяемом для силовых элементов ТВС нового поколения ВВЭР-1000.

Для реакторов РБМК ставилась задача добиться стабильного и однородного по степени рекристаллизации структурного состояния материала труб ТК и ТК СУЗ, и за счёт этого, стабилизировать и повысить уровень всего комплекса коррозионных и механических свойств труб, особенно, сопротивления ползучести.

Таким образом, для реализации поставленной в работе цели можно выделить следующие направления совершенствования состава и структуры сплавов циркония.

Для повышения работоспособности оболочек твэлов корпусных реакторов необходимы:

- оптимизация и модернизация состава сплава Э110 за счёт легирования кислородом и железом для повышения сопротивления формоизменению твэлов при эксплуатации в перспективных топливных циклах;

- разработка новой номенклатуры оболочечных труб с утонённой толщиной стенки, повышенными требованиями к допускам на геометрические размеры и поверхностной обработке;

- модернизация сплава Э635 снижением содержания олова и оптимизацией соотношения ниобия к железу для повышения сопротивления равномерной коррозии;

- применение в качестве шихтовой основы материала оболочки циркониевой губки, обеспечивающей стабильную коррозионную стойкость в условиях высокотемпературного окисления и выполнение критериев безопасности по пластичности в проектных авариях типа LOCA.

Для обеспечения работоспособности силовых элементов каркаса ТВС нового поколения для ВВЭР-1000 и для ТВС-КВАДРАТ необходимы:

- оптимизация состава сплава Э635 по основным легирующим элементам в пределах требований ТУ и способа его обработки для формирования оптимального структурно-фазового состояния в обеспечение требуемой вязкости разрушения и пластичности материала;

- совершенствование технологических схем изготовления ЦТ, труб для НК и полос для уголков жёсткости из сплава Э635;

- применение модернизированного сплава Э635М для труб НК ТВС ВВЭР-1000 и ТВС-КВАДРАТ.

Для обеспечения работоспособности труб давления на проектный ресурс канальных реакторов необходимы:

- разработка технологических схем изготовления усовершенствованных труб давления из сплавов Zr-2,5%Nb и Э635 с повышенной стойкостью к ЗГР и стабильной вязкостью разрушения для реактора CANDU в обеспечение концепции защиты «течь перед разрушением»;

- стабилизация структуры и свойства труб ТК и ТК СУЗ из сплава Э125 для реактора РБМК.

2. Материалы, методы исследования и их развитие

В качестве материала исследования служили образцы оболочечных труб, центральных труб, труб НК, труб давления (труб ТК), полос, пластин и листов из сплавов Э110, Э635 и Э125 (Zr-2,5%Nb), выпускаемых промышленностью. Кроме этого исследовались образцы труб, пластин и листов, изготовленные из лабораторных слитков приведенных выше сплавов (см. таблица 1) на различной шихтовой основе (губчатый, электролитический или иодидный цирконий) и с различным содержанием легирующих элементов и примесей, выходящим за допустимые значения таблицы 1 и технических условий на промышленные слитки. Использование в исследованиях сплавов с более широким интервалом содержания легирующих элементов для установления необходимых закономерностей и взаимосвязей между составом, структурой и свойствами материалов позволило определить оптимизированные составы сплавов и экспериментально дополнить обоснование составов модернизированных сплавов Э110М и Э635М для промышленного освоения.

Для изучения влияния нейтронного облучения на структурно-фазовое состояние сплавов циркония были исследованы образцы оболочек твэлов и труб ТК, облучённых в исследовательских реакторах БОР-60, РБТ-6, LVR-15 и энергетических реакторах РБМК-1000 и -1500 и ВВЭР-1000 (таблица 4).

Таблица 4 - Исходные данные по облучению исследованных образцов

Тип сплава	Тип трубы	Реактор	Условия облучения
			Флюенс нейтронов, м-2	Температура оС
Э635	9,15Ч0,7 мм	БОР-60	4,1 Ч 1026 (E0,1 МэВ)	330 - 350
	88Ч4 мм	РБТ-6	1Ч1024 (E0,1 МэВ)	300
	88Ч4 мм	БОР-60	4,1 Ч 1026 (E0,1 МэВ)	330 - 350
	88Ч4 мм ТК РБМК-1500	ИАЭС	6 Ч 1024 (E1 МэВ)	310 - 320
	88Ч4 мм ТК РБМК-1500	ИАЭС	4 Ч 1025 (E1 МэВ)	310 - 320
	9,15Ч0,7 мм	LWR	2,2 Ч 1025(E0,1 МэВ)	355
	9,15Ч0,7 мм	ВВЭР-1000	1,3 Ч 1026(E0,1 МэВ)	285-350
Э110	9,15Ч0,7 мм	LWR	2,2 Ч 1025(E0,1 МэВ)	355
	13,6Ч0,9 мм	РБМК-1000	6,5 Ч 1025(E0,1 МэВ)	265-280

Изучение макро- и микроструктуры исследуемого материала проводили методами световой металлографии и электронной микроскопии. Анализ структурного состояния осуществляли на оптических микроскопах НЕОРНОТ-21, Leica и других в светлом поле и в поляризованном свете при увеличениях от 100 до 800 крат. Структурно-фазовые электронно-микроскопические исследования осуществляли с помощью электронного микроскопа JEM - 2000 FXII при ускоряющем напряжении до 200 кВ и увеличениях от 2 до 200 тыс. крат. Для элементного анализа выделений вторых фаз применяли микрорентгеноспектральный анализ на фольгах и угольных экстракционных репликах с использованием микроанализатора AN 10000.

Текстуру изучали методом прямых полюсных фигур (ППФ), путём построения и сшивки неполных ППФ (0002) б-Zr, полученных для трёх взаимно-перпендикулярных поверхностей образца (R, T, L). Рентгеновскую съёмку проводили в излучении Cr с использованием автоматического текстурного комплекса на базе дифрактометра ДРОН-3М в соответствии с программой ТЕКСТУРА-Р.

Механические испытания на одноосное растяжение, ударную вязкость и критическое раскрытие трещины (на образцах малых размеров), а также определение твердости проводили по методикам в соответствии с Государственными Стандартами России и ASTM.

Испытания на ползучесть в зависимости от задач и типа образцов проводили либо при одноосном нагружении, либо под внутренним давлением при температурах от 300 до 400 ^оС и напряжениях от 80 до 150 МПа. Расчёт скорости установившейся ползучести производили в интервале времени испытаний (1000-3000) часов.

Коррозионные автоклавные испытания осуществляли в воде различного состава при 350 єС и 360 єС, а также в паре при 400 єС и 500 єС по методикам, разработанным в соответствии с Международным стандартом ISO №10270 "Коррозия металлов и сплавов в водных средах".

Испытания на вязкость разрушения и ЗГР труб давления осуществляли по рекомендованным МАГАТЭ методикам с использованием компактных образцов на растяжение шириной W=17 мм и усталостной трещиной от надреза в осевом направлении трубы. Методика испытаний на вязкость разрушения заключалась в определении J-интеграла, как функции подроста трещины (Да), построении J-R кривой и определении наклона кривой dJ/da, характеризующего сопротивление материала распространению трещины и принятого в качестве основного параметра вязкости разрушения для труб давления в зарубежной практике.

Для испытаний на ЗГР образцы предварительно наводороживали до 30-100 ppm. Эксперименты осуществлялись с учётом гистерезиса растворимости водорода в цирконии и заключались в предварительном нагреве ненагруженного образца до температуры растворения гидридов и последующего медленного охлаждения до температуры испытаний и приложения к образцу нагрузки.

Для контроля роста трещины в процессе испытаний на вязкость разрушения и ЗГР разработан способ регистрации старта и кинетики роста трещины методом падения потенциала с использованием переменного электрического тока сети. На основе сформулированных принципов работы прибора разработан и создан измерительный программно-аппаратный комплекс «АКОРТ - АССД».

3. Совершенствование сплава Э110 и оболочечных труб для твэлов реакторов ВВЭР и PWR

Для перспективных топливных циклов ВВЭР-1000 и АЭС-2006 с увеличенными кампаниями, ресурсом и выгоранием разработаны твэлы нового поколения с повышенной загрузкой топлива. Для внедрения этих твэлов в эксплуатацию потребовались разработка и освоение производства новой номенклатуры оболочечных труб и совершенствование сплава Э110.

На оболочечные трубы с утонённой стенкой, повышенными требованиями к допускам на геометрические размеры и шлифованной наружной поверхностью разработаны новые технические условия - ТУ 001.392-2006 (таблица 5), не уступающие техническим спецификациям на трубы лучших зарубежных фирм.

Таблица 5 - Отличительные характеристики оболочечных труб для твэлов ВВЭР-1000 нового поколения и оболочечных труб для штатных твэлов

Характеристика	Оболочка твэла нового поколения ТУ 001.392-2006	Оболочка штатного твэла ТУ 95 2594-98
Материал оболочки	Сплав Э110 на основе губчатого циркония	Сплав Э110 на основе электролитического циркония
Обработка поверхности: Наружной Внутренней	Шлифовка Струйное травление	Травление в ванне Травление в ванне
Параметры геометрии: Наружный диаметр Внутренний диаметр Толщина стенки Разнотолщинность Шероховатость: Наружной поверхности Внутренней поверхности	9,1 ± 0,04 мм 7,93 + 0,06 мм не менее 0,54 мм не более 0,05 мм Ra ? 0,6 мкм Ra ? 0,8 мкм	9,1 ± 0,05 мм 7,73 + 0,06 мм не менее 0,63 мм требования нет Ra ? 1,0 мкм Ra ? 1,5 мкм

Для штатных твэлов из сплава Э110 на основе электролитического циркония в смеси с иодидным цирконием свойственна нестабильность поведения оболочки в условиях проектных аварий типа LOCA. Это проявляется в образовании пористых, осыпающихся оксидных плёнок (рисунок 1а) и чрезмерном снижении пластичности после высокотемпературного окисления. Повысить и стабилизировать поведение оболочки твэла в условиях LOCA позволяет применение в качестве основы сплава Э110 магниетермического (губчатого) циркония, производство которого осваивается в России.

Размещено на http://www.allbest.ru/

а б

Рисунок 1 - Внешний вид образцов оболочечных труб из сплава Э110 на основе смеси электролитического и иодидного циркония (а) и губчатого циркония (б) после окисления в паре при 1100 єС до ЛГО=10% и ЛГО=18%, соответственно.

Показано, что для сплава Э110 на основе губчатого циркония после окисления при 1100 єС поверхность оболочки покрыта плотной, черной, блестящей, не отслаивающейся оксидной пленкой вплоть до ЛГО равной 18 % (рисунок 1б), при этом материал обладает удовлетворяющей критериям пластичностью (> 1%).

При нормальных условиях эксплуатации значимых различий труб из сплава Э110 на основе циркониевой губки и сплава Э110 на основе электролитического циркония в структурно-фазовом состоянии, текстуре, кратковременных механических свойствах на растяжение и коррозии практически нет. Вместе с тем, выявилась проблема, связанная с ползучестью сплава Э110 на основе губки, полученной переработкой электролитического металла в губку, потребовавшая безотлагательного решения.

За последние два десятилетия совершенствование технологии получения электролитического порошка циркония с целью стабилизации его химического состава привели к существенному (в 2-3 раза) снижению в нём содержания примесей, в том числе кислорода и железа. По этой причине фактическое содержание этих элементов в штатном сплаве Э110 на основе смеси электролитического и иодидного циркония наблюдается на уровне и ниже - 300 ppm для кислорода и 100 ppm для железа, что иллюстрируется на диаграмме рисунка 2.

Рисунок 2 - Циркониевый угол диаграммы Zr-Fe-O для сплавов типа Э110 (Zr-1%Nb

При таких содержаниях кислорода и железа в сплаве Э110 на основе губки не обеспечивается необходимый запас по сопротивлению ползучести оболочек, предусмотренный техническими проектами твэла, в которых расчётные обоснования сделаны на основе базы данных по радиационной ползучести и прочности для оболочечных труб из сплава Э110 ранних периодов изготовления.

При эксплуатации недостаток кислорода и железа в сплаве Э110 на основе губки проявился на примере 18-ти экспериментальных твэлов с утонённой оболочкой в составе опытной ТВСА 21 топливной загрузки блока 1 Калининской АЭС, когда после первого года эксплуатации было зафиксировано более высокое удлинение этих твэлов по сравнению со штатными.

Кроме этого, при пониженном содержании кислорода в сплаве Э110, и недостаточном из-за этого упрочнении материала при холодной прокатке, увеличивается степень проявления радиальной ориентации гидридов и снижается качество шлифованной наружной поверхности оболочечных труб с утонённой стенкой по ТУ 001.392-2006.

Автором в диссертационной работе показано, что поддержание в сплаве Э110 на основе губки оптимизированных содержаний кислорода - 800 ppm и железа - 450 ppm, при допустимых содержаниях этих элементов в слитке (600-990) ppm и (250-700) ppm, соответственно (см. рисунок 2), восстанавливает материалу оболочечных труб сопротивление ползучести и упрочнение под облучением до уровня характеристик труб ранних периодов изготовления (рисунок 3), обеспечивая проектный запас и стабильность сопротивления формоизменению оболочек твэлов на 4-5 летнюю кампанию в ВВЭР-1000. Кроме этого, с оптимизированным содержанием кислорода обеспечивается также требуемое качество труб по новым техническим условиям.



а б

Рисунок 3 - Зависимость скорости окружной термической ползучести от содержания кислорода (а) и степени упрочнения под облучением от содержания железа (б) для оболочек твэлов из сплава Э110.

Различие в поведении при высокотемпературном окислении сплава Э110 на губчатой и штатной основах связано с металлургической природой получения разных видов циркония и содержанием примесей в этих материалах, что стало предметом исследований в настоящей работе. Для этого изучено раздельное влияние электролитического и иодидного циркония, в сравнении с губчатым цирконием, на поведение при высокотемпературном окислении и пластичность в этих условиях сплава Zr-1%Nb. В результате экспериментально установлено положительное влияние иодидного циркония на поведение при высокотемпературном окислении сплава Zr-1%Nb. Кинетика окисления и состояние оксидной плёнки образцов оболочечных труб из сплава на основе иодидного циркония практически аналогичные характеристикам для образцов из сплава на основе губки, а величина пластичности образцов из сплава на основе иодидного циркония после окисления оказалась даже выше, чем для образцов из сплава на основе губки (рисунок 4). Полученные результаты позволили дать рекомендации и внедрить использование иодидного циркония для подшихтовки сплава Э110 на основе губки оптимизированного состава, применяемого для изготовления оболочек твэлов по ТУ 001. 392-2006.

...