КУРСОВОЙ ПРОЕКТ ПО ТЕМЕ: «РАЗРАБОТКА МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ СПЛАВОВ ЦИРКОНИЙ - НИОБИЙ ДЛЯ ОБОЛОЧКИ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА РЕАКТОРА НА ТЕПЛОВЫХ НЕЙТРОНАХ» ВЫПОЛНИЛА: КРИКУН Е. В. ГРУППА: Ф 8 -04 РУКОВОДИТЕЛЬ: СУЧКОВ А. Н. МОСКВА, 2012
Исходные данные к проекту
Конструктивный элемент Принципиальная конструкция твэла водо-водяного энергетического реактора В процессе работы твэл подвергается: • радиационному воздействию нейтронов; • механическому воздействию; • термическому воздействию; • коррозионному воздействию теплоносителя и продуктов деления топлива.
Характеристика сплавов системы Zr- Nb, выбор состава основы При высоких температурах - непрерывная взаимная растворимость Nb и Zr в жидком и твердом состояниях. Фазы (β-Zr) и (Nb) имеют ОЦК структуру. При охлаждении происходит монотектоидный распад. Для фиксирования структуры ω-фазы при комнатной температуре, концентрация Nb > 0, 7 ат. %
Выбор состава основы Механические свойства Скорость ползучести Поглощение водорода Ниобий повышает предел прочности и текучести сплава, снижает пластичность, уровень поглощения водорода и скорость ползучести сплава. Основа: Zr + 2, 5% Nb
Анализ исходных данных: влияние температуры, механизм деформации Тα-β=1135, 15 К Тр= 583, 15 К а= Тр/ Тпл=0, 514 > 0, 3 σр=200 МПа log(σр)=4, 462 Вид деформации: дислокационная ползучесть
Анализ исходных данных: радиационное повреждение, взаимодействие основы со средой Влияние наводороживания на критическую температуру хрупкости 1 – без облучения, 2 –нейтронное облучение Схематическое изображение влияния облучения на ползучесть сплава Коррозия в воде и паре при различных температурах
Требования к свойствам материала 1. жаропрочность; 2. жаростойкость; 3. коррозионная стойкость в воде и газообразных продуктах деления топлива UO 2; 4. радиационная стойкость, включая сопротивление: – – радиационной ползучести; радиационному росту; радиационному охрупчиванию; НТРО. 5. низкое сечение захвата нейтронов; 6. технологичность.
Исследование отрицательного влияния гидридной фазы на механические свойства сплава Пути борьбы • Защитные покрытия • Отжиг • Легирование: Cr, Fe – снижают поглощение водорода, Ni – повышает Влияние водорода на механические свойства циркония Зависимость скорости развития трещины от коэффициента интенсивности напряжения
Выбор легирующего комплекса Микротвердость различных Влияние ЛЭ на коррозию Влияние ЛЭ на поглощение интерметаллидов циркония чистого Zr в воде при 350°С цирконием водорода Sn, Fe, Cr, Cu - упрочняют сплав и повышают коррозионную стойкость Fe, O - повышают радиационную стойкость Hf, Ta, Sb, W, Ag, B, Co имеют высокое сечение захвата нейтронов Ti, Pb, C, Al, V, B, Ge, Pd, Mo, Ni, W снижают коррозионную стойкость сплава Новая основа сплава: Be – образует с Zr легкоплавкую эвтектику Pt, Au – имеют высокую стоимость N, H, F - вредные примеси Zr+1%Nb Состав сплава: Zr+1, 0%Nb+0, 5%Sn+0, 14 Fe+0, 13 O
Обеспечение стабильности СФС в заданных эксплуатационных условиях Литой металл с дендритной ликвацией, неоднородное распределение интерметаллидов Ковка в области (α+β)-фазы (870 -985°С => 700 -820°С) Отжиг 550°С, 10 ч Обработка внешней поверхности: импульсным электронным воздействием и плакировка чистым Zr Закалка для исключения неравномерного распределения интерметаллидных частиц Холодная прокатка для получения тангенциальной ориентации гидридов Стабилизация СФС
Технология изготовления оболочки твэла
Выводы 1. – – 2. – – – 3. 4. 5. 6. Путем анализа заданных условий эксплуатации для материала (на основе системы сплавов Zr - Nb) тепловыделяющего элемента водо-водяного реактора ВВЭР-1000 сформулированы основные требования: жаропрочность; коррозионная стойкость в воде с аммиачно-калиевым режимом и продуктах деления топлива; радиационная стойкость, включая сопротивление радиационной ползучести, росту, радиационному охрупчиванию и НТРО; технологичность. Изучено влияние условий эксплуатации, состава и структурно-фазового состояния цирконий-ниобиевого сплава на его стойкость к водородному охрупчиванию. Для снижения отрицательного влияния гидридной фазы предложено легирование элементами, снижающими поглощение водорода; проведение отжига для снятия остаточных напряжений; модифицирование поверхности импульсным электронным пучком для снижения поглощения водорода сплавом. Разработан состав сплава для оболочки твэла: Zr+1, 0%Nb+0, 5%Sn+0, 14%Fe+0, 13%O. Показано, что сплав обладает высокой работоспособностью, радиационной стойкостью, коррозионной стойкостью в воде аммиачно-калиевого режима, технологичностью. Предложены основные меры по обеспечению стабильности структурно-фазового состояния материала в эксплуатационных условиях. Разработана технологическая схема изготовления конечной конструкции оболочки тепловыделяющего элемента из сплава Zr+1, 0%Nb+0, 5%Sn+0, 14%Fe+0, 13%O.
Список использованных источников 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. Климов А. Н. Ядерная физика и ядерные реакторы: Учебник для вузов. – 3 -е изд. , перераб. и доп. – М. : Энергоатомиздат, 2002. – 464 с. Дементьев Б. А. Ядерные энергетические реакторы: Учебник для вузов. - 2 -е изд. , перераб. и доп. - М. : Энергоатомиздат, 1990. - 352 с. Активные зоны ВВЭР для атомных электростанций. Шмелев В. Д. , Драгунов Ю. Г. , Денисов В. П. , Васильченко И. Н. - М. : ИКЦ "Академкнига", 2004. - 220 с. Физическое материаловедение: Учебник для вузов. В 6 т. / Под общей ред. Б. А. Калина. – М. : МИФИ, 2008. – Т. 6. Ч. 1. Конструкционные материалы ядерной техники. /Б. А. Калин, П. А. Платонов, И. И. Чернов, Я. И. Штромбах. – М. : МИФИ, 2008. – 672 с. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник: В 3 т. : Т. 3. Кн. I / Под общ. ред. Н. П. Лякишева. - М. : Машиностроение, 2001. - 872 с. Справочник по конструкционным материалам: Справочник / Б. Н. Арзамасов, Т. В. Соловьева, С. А. Герасимов и др. ; Под ред. Б. Н. Арзамасова, Т. В. Соловьевой. - М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2005. - 640 с. Чиркин В. С. Теплофизические свойства материалов ядерной техники: Справочник. - М. : Атомиздат, 1968 – 486 с. Овчинников Ф. Я. , Семенов В. В. Эксплуатационные режимы водо-водяных энергетических реакторов. - 3 -е изд. , перераб. и доп. - М. : Энергоатомиздат, 1988. - 359 с. David B. Knorr, Michael R. Notis -Deformation mechanism mapping of α-Zr and zircaloy-2. - Journal of nuclear materials 56 (1975), p. 18 -24 Займовский А. С. , Никулина А. В. , Решетников Н. Г. Циркониевые сплавы в атомной энергетике. – М. : Энергоиздат, 1981. – 232 с. Шишов В. Н. , Перегуд М. М. , Никулина А. В. , Целищев А. В. , Новоселов А. Е. , Г. П. Кобылянский, З. Е. Островский, В. К. Шамардин, В. Н. Обухов Влияние химического состава циркониевых сплавов на формирование микроструктуры и радиационный рост // Вопросы атомной науки и техники, серия: Материаловедение и новые материалы, Выпуск 2 (65), 2005 г. , С. 10 -21. Дуглас Д. Металловедение циркония. – М. : Атомиздат, 1975. – 340 с. Блюменталь У. Б. "Химия циркония" М. : ИИЛ, 1963. - с. 142 -160 Химия и токсикология [Электронный ресурс] / Под ред. Кипер Р. А. , 2002. - Режим доступа: http: //chemister. ru/index. html свободный. Колачев Б. А. Водородная хрупкость металлов. – М. : Металлургия, 1985. – 217 с. Лупаков И. С. , Клюшин В. В. , Кузьмичев Ю. С. и др. – В к. Н. : Вопросы атомной науки и техники. Серия «Реакторостроение» , вып. 2 (16). М: ЦНИИатоминформ. , 1977. - с. 12 -15. Черняева Т. П. , Стукалов А. И. , Грицина В. М. Влияние кислорода на механические свойства циркония//Журнал Вопросы атомной науки и техники № 1, Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (12), 2002. - с. 96 -102. Маркелов В. А. , Рафиков В. З. , Никулин С. А. , В. И. Гончаров, В. Н. Шишов, А. Ю. Гусев и Э. К. Чеснокова. Изменение микроструктуры сплава циркония с оловом, ниобием и железом при деформационно-термической обработке // Физика металлов и металловедение. 1994. Т. 77, вып. 4. С. 70 -79. Парфенов Б. Г. , Герасимов В. В. , Венедиктова Г. И. Коррозия циркония и его сплавов. - М. : Атомиздат, 1967. - 257 с. Шишов В. Н. , Никулина А. В. , Целищев А. В. , Перегуд М. М. и др. «Радиационно-индуцированный рост и изменения микроструктуры в циркониевых сплавах» // Вопросы атомной науки и техники, серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение, Выпуск 3 (69), 4 (70), 1998 г. , С. 68. Пилипенко Н. Н. Влияние фтора на восприимчивость сплавов Zr-Nb к высокотемпературному окислению//Журнал Вопросы атомной науки и техники № 6, Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (19), 2011. - с. 18 -23. Балашов А. А. , Маркелов В. А. , Шишов В. Н. , Хохунова Т. Н. , Горская Н. Ю. , Саблин М. Н. «Влияние добавок кислорода и железа на прочность, сопротивление ползучести и коррозионную стойкость сплава Э 110» // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Материаловедение и новые материалы. 2008. Вып. 1(70). С. 13 -20. Миллер Г. Л. Цирконий перевод с англ. под ред. С. Г. Глазунова и Л. А. Киселева. - М. : Издательство иностранной литературы, 1955. - 392 с. Пушилина Н. С. Исследование модификации поверхности циркониевого сплава импульсным электронным пучком. - Автореф. дис…канд. физ. -матем. наук 7. 12. 11/Томск. ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» , 2011. – 18 с. Ластман Б. Керз Ф. Металлургия циркония. М. Иностр. лит-ра, 1959, с. 91 -131 Шульга А. В. Методы и техника получения быстрозакаленных сплавов. Учебное пособие. – М. : МИФИ, 2001. – 84 с. Физическое материаловедение: Учебник для вузов. В 6 т. / Под общей ред. Б. А. Калина. – М. : МИФИ, 2008. – Т. 5. Материалы с заданными свойствами. /М. И. Алымов, Г. Н. Елманов, Б. А. Калин, А. Н. Калашников, В. В. Нечаев, А. А. Полянский, И. И. Чернов, Я. И. Штромбах, А. В. Шульга. – М. : МИФИ, 2008. – 672 с.
Скачать презентацию КУРСОВОЙ ПРОЕКТ ПО ТЕМЕ РАЗРАБОТКА МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ
Крикун 26.1.5.pptx