Применение реакторов на быстрых нейтронах всегда считалось лучшим способом использования урановых ресурсов [1]. В реакторах такого типа используется до 80% энергии загруженного урана, по сравнению с приблизительно 1% в современных реакторах на тепловых нейтронах [2, 3]. Кроме того, в качестве топлива для быстрых реакторов может использоваться как природный уран и торий, так и обедненный уран (отвалы обогатительного производства, отработавшее топливо тепловых реакторов), а также оружейный плутоний.
К сожалению, до последнего времени, низкая стоимость обогащенного урана, являющегося топливом для реакторов на тепловых нейтронах, и высокая стоимость капитальных затрат при строительстве реакторных установок (РУ) на быстрых нейтронах затормозили развитие установок этого типа. В последнее время в связи с ростом цен на обогащенный уран реакторы на быстрых нейтронах вызывают повышенный интерес в мире, и такие страны как США, Великобритания, Япония, Индия и страны Евросоюза принимают долгосрочные программы по развитию ядерной энергетики с РУ на быстрых нейтронах [4,5]. Кроме растущей стоимости урана, цена которого за последние три года увеличилась более чем в 2,5 раза и продолжает расти [6], быстрые реакторы являются единственной доказанной технологией, способной обеспечить почти неограниченные поставки энергии вне зависимости от топливных ресурсов [7, 8]. Данное обстоятельство является следствием того, что в процессе облучения нейтронами урана-238 либо тория-232 происходит образование делящегося изотопа плутония-239. При облучении плутония-239 в быстром реакторе, его создается больше, чем потребляется. Так в РУ БН-600 1 с натриевым теплоносителем воспроизводство топлива достигает 6% в год (удвоение количества плутония-239 за 12 лет) [9], а в перспективе возможно достижение 10−15% темпа воспроизводства.
1 РУ БН-600 является третьим энергоблоком Белоярской Атомной станции.
Применение РУ на быстрых нейтронах позволит реализовать концепцию «замкнутого пристанционного цикла», когда на одной площадке размещается оба типа реакторов: ядерные энергетические установки (ЯЭУ) на тепловых нейтронах, вырабатывающие энергию, РУ на быстрых нейтронах нарабатывающая топливо для ЯЭУ и обогатительная фабрика.
Вода, применяемая в качестве теплоносителя ЯЭУ на тепловых нейтронах, является замедлителем нейтронов и не может использоваться как теплоноситель в РУ на быстрых нейтронах, поэтому в качестве теплоносителей в быстрых реакторах используются жидкие металлы.
В быстрых реакторах в качестве жидкометаллических теплоносителей используются натрий, и сплавы на основе натрия, свинец и сплавы на основе свинца [10], кроме того, рассматривается возможность использования газового теплоносителя на основе гелия.
Применение такого рода теплоносителей ставит ряд металловедческих проблем, которые сводятся к выбору или созданию конструкционных материалов, имеющих достаточную работоспособность в контакте с жидкими металлами при высоких температурах. Основной трудностью при выборе конструкционных материалов является отсутствие экспериментальных данных по влиянию жидкометаллических теплоносителей на длительные свойства, исключением является лишь влияние жидкого натрия на конструкционные материалы, которое достаточно хорошо изучено. Повреждение материалов в контакте с жидкими металлами вследствие процессов ползучести, усталости и коррозии может являться причиной разрушения элементов конструкций РУ на быстрых нейтронах с жидкометаллическими теплоносителями [11]. И если возможность длительной эксплуатации РУ с натриевым теплоносителем подтверждена действующими реакторами (типа БН), то возможность использования в качестве теплоносителя жидкого свинца или сплавов на основе свинца только рассматривается в рамках концепции создания реактора с естественной безопасностью типа БРЕСТ ОД-ЗОО [12] или установки АДС (Германия).
Цель является обоснование выбора материалов и оценки работоспособности теплообменного оборудования реакторов на быстрых нейтронах на основе комплексного изучения повреждающего воздействия, оказываемого жидкометаллическими свинцовыми теплоносителями на кратковременные и длительные свойства конструкционных сталей различных структурных классов.
Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
1. Создание и применение оригинальных стендов с принудительной циркуляцией свинцового теплоносителя и контролируемым содержанием кислорода, имитирующих условия эксплуатации теплообменного оборудования РУ БРЕСТ ОД-ЗОО.
2. Анализ структурных изменений и процессов коррозионно-механического повреждения при длительном контакте с жидким свинцом кремнистых сталей аустенитного класса марки 10Х15Н9СЗБ и ферритно-мартенситного класса марки 10Х9НСМФБ, принятых в техническом проекте в качестве конструкционных материалов для РУ типа БРЕСТ.
3. Определение влияния длительного контакта с жидким свинцом на кратковременные механические свойства сталей марок 10Х15Н9СЗБ и 10Х9НСМФБ.
4. Исследование закономерностей зарождения и распространения трещин при циклическом нагружении в сталях марок 10Х15Н9СЗБ и 10Х9НСМФБ в условиях длительного контакта с жидким свинцом.
5. Определение влияния свинцового теплоносителя на ползучесть и длительную прочность сталей марок 10Х15Н9СЗБ и 10Х9НСМФБ.
6. Разработка методик прогнозирования работоспособности деталей из конструкционных сталей для теплообменного оборудования реакторных установок с жидкометаллическими теплоносителями.
Методы исследования.
Проведены коррозионно-механические испытания конструкционных материалов в контакте с жидким свинцом и в потоке жидкого свинца, а. также кратковременные и длительные механические испытания на воздухе. Для испытаний в потоке жидкого свинца использовались два стенда с принудительной циркуляцией свинцового теплоносителя с регламентированным содержанием кислорода, имитирующих условия эксплуатации теплообменного оборудования РУ БРЕСТ ОД-ЗОО (см. раздел 2.1). Оценка структуры образцов после испытаний проводилась методами оптической и электронной микроскопии.
Анализ микроструктуры материалов проводился с помощью металлографического инвертированного микроскопа фирмы Carl Zeiss, а также растрового электронного микроскопа JEOL с приставкой для микрорентгеноспектрального анализа производства фирмы OXFORDS INSTRUMENTS.
Кратковременные механические испытания проводились на разрывной машине Р5, и на машине для циклических испытаний УМЭ-10Т.
Длительные механические испытания при постоянной нагрузке на воздухе проводились на стандартной машине АИМА-5−2.
Длительные механические испытания при постоянной нагрузке в потоке жидкого свинца проводились на стандартной машине АИМА-5−1, вмонтированной в контур жидкометаллического стенда.
Испытания проводились на гостированном и аттестованном оборудовании.
Подробнее методы исследования рассмотрены в соответствующих разделах.
Научная новизна данной диссертационной работы состоит в следующем:
— установлено влияние температуры, уровня прочности и жесткости нагружения на кратковременные механические свойства и циклическую долговечность конструкционных сталей в контакте с жидким свинцом. Показано, что контакт с жидким свинцом приводит к снижению циклической долговечности сталей ферритно-мартенситного класса;
— исследовано влияние температуры на скорость роста трещин в конструкционных сталях в условиях контакта с жидким свинцом и установлены механизм и факторы, определяющие этот процесс. Впервые показана возможность лавинообразного хрупкого разрушения сталей феррито-мартенситного класса при циклическом нагружении образцов с трещинами в контакте с жидким свинцом.
— изучен механизм влияния жидкометаллического теплоносителя на скорость ползучести конструкционных сталей и выявлена роль содержания кислорода в теплоносителе. Установлено, что в результате контакта сталей с жидким свинцом происходит увеличение скорости ползучести и снижение длительной прочности конструкционных сталей;
— предложен и обоснован деформационный критерий для определения допускаемых напряжений в стальных конструкциях, работающих в контакте с жидкометаллическим свинцовым теплоносителем;
Практическая значимость полученных в ходе проведенной работы результатов состоит в следующем:
— созданы экспериментальные стенды для испытаний материалов в потоке жидкого свинца с принудительной циркуляцией свинцового теплоносителя с регламентированным содержанием кислорода, имитирующих условия эксплуатации теплообменного оборудования РУ БРЕСТ ОД-ЗОО.
— разработаны рекомендации для выбора конструкционных материалов теплообменного оборудования реакторных установок типа БРЕСТ и корректировки конструкции теплообменников на основе получения экспериментальных данных о скорости ползучести и кинетике роста трещин в потоке жидкого свинца;
— на основе выявленных закономерностей поведения конструкционных сталей в потоке жидкого свинца разработаны рекомендации для выбора материалов, проектирования и оценки ресурса ЯЭУ на быстрых нейтронах с теплоносителем на основе сплава свинец-висмут — СВБР-100;
— получена уникальная база данных по результатам длительных испытаний конструкционных сталей в потоке жидкого свинца, которые необходимы при проектировании и определении ресурса ЯЭУ на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем типа БРЕСТ;
Основные научные положения, выносимые на защиту.
1. Спроектированные, изготовленные и опробованные уникальные экспериментальные стенды для испытаний материалов в потоке жидкого свинца с принудительной циркуляцией свинцового теплоносителя с регламентированным содержанием кислорода, имитирующие условия эксплуатации теплообменного оборудования РУ на быстрых нейтронах.
2. Экспериментальные результаты и физические представления о влиянии длительного контакта с жидкими теплоносителями на основе свинца на структурное состояние, кратковременные и длительные физико-механические свойства и характеристики работоспособности конструкционных сталей аустенитного и ферритно-мартенситного классов.
3. Механизм влияния жидкометаллического теплоносителя на характер разрушения, скорость ползучести и длительную прочность конструкционных сталей различных структурных классов.
4. Разработанные методики прогнозирования работоспособности деталей из конструкционных сталей для теплообменного оборудования реакторных установок с жидкометаллическими теплоносителями.
5. Разработанные рекомендации для выбора материалов, проектирования и оценки ресурса ЯЭУ на быстрых нейтронах с теплоносителем на основе свинца — БРЕСТ ОД-ЗОО, СВБР-100.
Далее приводится аннотированное изложение диссертации по главам.
В первой главе.
Рассматривается вопрос о взаимодействии сталей с жидкометаллическими теплоносителями на основе свинца, механизмы возможного коррозионного повреждения: растворение и окисление, влияние легирующих элементов, а также содержания кислорода в жидком металле. Определяется влияние жидкого металла на прочностные характеристики, длительную прочность и сопрртивление малоцикловой усталости.
Приведены условия эксплуатации теплообменного оборудования ЯЭУ на быстрых нейтронах со свинцовыми теплоносителями, обозначены используемые конструкционные материалы. Сведения по влиянию теплоносителей на базе свинца на длительные свойства сталей, принятых в техническом проекте РУ Брест ОД-ЗОО в качестве конструкционных материалов, в опубликованных литературных данных отсутствуют. Однако, ввиду агрессивности свинца (сплава Pb-Bi) по отношению к сталям, можно ожидать снижения длительных свойств конструкционных материалов, работающих в контакте с тяжелыми жидкометаллическими теплоносителями.
Определены материалы для исследования, изложена методика исследований.
Представлена конструкция свинцового стенда и модулей для испытаний на кратковременные и длительные свойства материалов в потоке жидкого свинца, обоснованы экспериментальные условия.
Вторая глава посвящена анализу воздействия жидкого металла на прочность при кратковременных испытаниях. Рассмотрено влияние сварного соединения и надреза различного радиуса. Построена диаграмма повреждаемости для стали мартенситного класса, показано, что степень адсорбционного воздействия возрастает с ростом уровня прочности конструкционного материала, понижением температуры теплоносителя и увеличением остроты надреза.
В третьей главе рассматривается циклическая прочность конструкционных материалов в контакте с жидкими металлами.
Исследовано адсорбционное влияние жидкого свинца регламентированных параметров на циклическую прочность конструкционных материалов и их сварных соединений при различных температурах. Определено влияние термической обработки стали мартенситного класса и наличие сварного соединения на сопротивление усталости в жидком металле.
Выполнен анализ кинетики роста трещин в сталях мартенситного и аустенитного классов в контакте с жидким металлом, показано, что адсорбционное влияние жидкого металла выражается в уменьшении времени до страгивания трещины, увеличении скорости роста трещин и снижении критической длины трещины в сталях типа 10Х9НСМФБ. Проанализировано влияние температуры на кинетику роста трещин, показано, что с ростом температуры влияние жидкого металла снижается, и при температурах выше 500 °C практически не проявляется. Кроме того, влияние жидкого свинца, проявляется в зависимости от типа кристаллической решетки стали, так на аустенитных сталях с гранецентрированной решеткой, адсорбционное влияние практически не сказывается, и увеличение скорости роста трещин в контакте с жидким металлом не выявлено во всем диапазоне исследуемых температур (360−550°С).
Определена величина снижения поверхностной энергии при образовании трещин в контакте с жидким металлом в сравнении с воздухом.
Четвертая глава посвящена исследованию прочности сталей при длительном высокотемпературном нагружении в потоке жидкого металла. Освещаются проведенные исследования, связанные с изучением влияния свинцового теплоносителя на длительные свойства стали аустенитного класса (10Х15Н9СЗБ) и хромистой мартенситной стали (10Х9НСМФБ).
Полученные экспериментальные данные показали увеличение скорости ползучести и снижение длительной прочности сталей марок 10Х15Н9СЗБ и.
10Х9НСМФБ в контакте с жидким свинцом, отрицательного влияния свинцового теплоносителя на длительную пластичность исследуемых сталей не обнаружено.
Отмечено влияние уровня напряжений на процессы формирования и устойчивость оксидной пленки, выражающиеся в увеличении скорости роста толщины оксидной пленки с ростом напряжения и отсутствии возможности ее стабильного существования на поверхности сталей при высоком уровне напряжений.
Обнаружено два различных характера разрушения сталей в контакте с жидким свинцом, определяемых при прочих равных условиях уровнем действующих напряжений. Разрушение при высоком уровне напряжений связано с процессами фронтальной жидкометаллической коррозии, имеющей место вследствие высокой скорости деформации материала и невозможности образования стабильной оксидной пленки. Разрушение при низком уровне напряжений связано с совокупным влиянием процессов образования на поверхности материала сплошной оксидной пленки, ее растрескивания при исчерпании значения квазипластичности и проникновения теплоносителя в образовавшиеся трещины, что приводит к возникновению локальных очагов жидкометаллической коррозии и адсорбционному взаимодействию стали с жидким свинцом.
Проанализировано влияние содержания кислорода в жидком металле на скорость ползучести и время до разрушения сталей, показана сильная зависимость скорости ползучести от концентрации кислорода. Определены условия (концентрация кислорода и уровень действующих напряжений) при которых увеличение скорости ползучести в жидком металле по сравнению с испытаниями на воздухе практически не проявляется.
Представлена конструкция установки для предварительного окисления и создания окисной пленки в среде водяного пара. Показано, что предварительное окисление практически не влияет на скорость ползучести сталей в потоке жидкого металла, вне зависимости от степени предварительного окисления. пятая глава посвящена обсуждению полученных результатов и предложению путей преодоления негативного влияния на механические свойства сталей, даются рекомендации по учету влияния жидкометаллических теплоносителей на длительные свойства конструкционных материалов.
Показано, что проявление адсорбционного воздействия жидкометаллического теплоносителя на основе свинца зависит от температуры испытаний. Так, при низких температурах близких к температуре замерзания теплоносителя (360−420°С), влияние жидкого металла носит классический, характерный для «эффекта Ребиндера» вид, выражающийся в охрупчивании стали, что приводит к снижению времени до страгивания трещины (снижению инкубационного периода), увеличению скорости роста трещины и снижению критической длины трещины. При повышении температуры (до 500−550°С) проявление адсорбционного воздействия меняется на диаметрально противоположное и выражается в увеличении скорости ползучести, длительной пластичности и снижении длительной прочности.
Показана возможность использования данных по длительным свойствам конструкционных материалов и их формоизменению, полученных при испытаниях на воздухе, для прогнозирования длительных свойств конструкционных материалов в контакте со свинцовыми теплоносителями при введении понижающих коэффициентов которые определены в ходе работы.
Установлена целесообразность введения при расчете допускаемых напряжений в конструкциях теплообменного оборудования ЯЭУ на быстрых нейтронах со свинцовыми теплоносителями деформационного критерия, связанного с квазипластичностью оксидной пленки.
Выводы по диссертации.
1. Созданы уникальные экспериментальные стенды и разработана методика для испытаний материалов под напряжением в потоке жидкого свинца с принудительной циркуляцией свинцового теплоносителя с регламентированным содержанием кислорода, имитирующие условия эксплуатации теплообменного оборудования РУ на быстрых нейтронах.
2. В результате проведенных комплексных исследований влияния жидкометаллических теплоносителей на кратковременные и длительные свойства конструкционных сталей аустенитного и ферритно-мартенситного классов разработаны и научно обоснованы рекомендации для выбора материалов, проектирования и оценки допустимого срока эксплуатации теплообменного оборудования реакторов на быстрых нейтронах.
3. Экспериментально исследована коррозионно-механическая повреждаемость при длительном контакте с жидким свинцом кремнистых сталей аустенитного класса марки 10Х15Н9СЗБ и ферритно-мартенситного класса марки 10Х9НСМФБ, принятых в техническом проекте в качестве конструкционных материалов для реакторных установок типа БРЕСТ. Установлено, что стали марок 10Х15Н9СЗБ и 10Х9НСМФБ совместимы с жидким свинцом при температурах до 550 °C и могут эффективно применяться для изготовления основных узлов теплообменного оборудования реакторов на быстрых нейтронах.
4. Показано, что хромоникелевые стали аустенитного класса с ГЦК кристаллической структурой, в том числе с повышенным содержанием кремния, имеют преимущество для работы в контакте с жидкими теплоносителями на основе свинца, поскольку не чувствительны к ЖМО в свинце и характеризуются меньшей скоростью окисления.
5. Выявлено влияние концентрации кислорода на поведение конструкционных сталей в жидком свинце. Показано, что переход сталей в пассивное состояние при эксплуатации в жидком свинце зависит от концентрации кислорода и уровня действующих напряжений. Установлено, что для снижения скорости ползучести ферритно-мартенситной стали 10Х9НСМФБ при температурах 500−550°С необходимо поддерживать повышенное содержание кислорода в жидком свинце.
6. Прогнозирование длительной прочности конструкционных материалов теплообменного оборудования РУ со свинцовым теплоносителем необходимо производить на базе экспериментальных данных, полученных в потоке жидкого свинца на образцах без следов фронтальной жидкометаллической коррозии. При отсутствии таких данных допускается прогнозирование длительной прочности на основе результатов испытаний на воздухе с учетом следующих понижающих коэффициентов: 0,95 — для аустенитной стали 10Х15Н9СЗБ и 0,85 — для ферритно-мартенситной стали 10Х9НСМФБ.
7. Предложено при расчетах максимально допустимых напряжений в стальных конструкциях, находящихся в контакте со свинцовым теплоносителем, вводить деформационный критерий, ограничивающий предельную деформацию на уровне ~2%, что обеспечит эксплуатацию деталей в условиях существования на поверхности металла сплошной оксидной пленки, предотвращающей коррозионное повреждение и недопустимую деформацию конструкций.
8. Установлено, что пластичность и сопротивление МЦУ сталей с ОЦК кристаллической структурой снижается при эксплуатации в контакте с жидким свинцом, причем наличие острого надреза и закалка стали усиливают проявление этого эффекта. Показано, что уменьшить отрицательное влияние свинца возможно за счет целенаправленного выбора режима термической обработки.
9. Показано, что при использовании сталей с ОЦК решеткой для изготовления элементов конструкций РУ на быстрых нейтронах, испытывающих циклические нагрузки в малоцикловой области, необходимо учитывать допустимый коэффициент интенсивности напряжений, значение которого не должно превышать величины, приводящей к резкому увеличению скорости роста трещины. Экспериментально установлено, что для стали 10Х9НСМФБ значение допустимого коэффициента интенсивности напряжений составляет AK360ns=37 МПа/м0'5 — для температуры 360 °C и AK420ins=45 МПа/м0'5 — для температуры 420 °C (ins от англ. Instableнеустойчивы). При превышении этого значения развитие трещины в сталях с ОЦК решеткой в контакте с жидким свинцом может происходить лавинообразно.
10. На основании полученных результатов рекомендовано для предотвращения хрупкого разрушения деталей теплообменного оборудования РУ на быстрых нейтронах, изготовленных из сталей с ОЦК решеткой, избегать в процессе эксплуатации температурного интервала 360−420°С.
11. По результатам исследований показано, что на аустенитной стали воздействия свинца практически не выявлено, и применение стали такого класса более предпочтительно.