Совершенствование состава и структуры сплавов циркония в обеспечение работоспособности твэлов, ТВС и труб давления активных зон водоохлаждаемых реакторов с увеличенным ресурсом и выгоранием топлива (02.08.2010)

Автор: Маркелов Владимир Андреевич

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 МВт(сут/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 МВт(сут/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 МВт(сут/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 МПа(м

( 7*10-8 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;


загрузка...