Керамика в атомно-энергетическом машиностроении

РефератПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Керамика в атомно-энергетическом машиностроении (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Применение керамики эффективно в наиболее радиационнои теплонапряженных частях атомных реакторов, которые эксплуатируются не только в условиях высоких температур, но и в условиях интенсивного радиационного воздействия (главным образом, тепловых нейтронов). В табл. 7.14 приведены свойства, области применения керамики в атомных реакторах, а также возможные изменения свойств ее под действием высокой температуры и излучения. Основным видом повреждения материалов под действием тепловых нейтронов служит их разбухание из-за накопления в кристаллической решетке газов, являющихся продуктами ядерных реакций. Так, тугоплавкие бориды, бор, карбиды и силициды бора, которые применяются в конструкциях атомных реакторов для поглощения нейтронов при высоких температурах, подвергаются разрушению из-за «выгорания» бора по реакции 5В¹¹ + on¹ —> з1л⁷ + ₂Не⁴. Накапливающийся в узлах кристаллической решетки материала гелий деформирует решетку, а затем и разрушает ее. По данным Г. В. Самсонова и С. М. Ковальченко, облучение керметов TiB₂ — В потоками интенсивностью Ю²⁰ — 10²⁴ нейтрон/см² приводит к увеличению объема атомов бора, а затем появлению вблизи них трещин, которые увеличиваются с повышением температуры облучения. Подобным же образом разрушаются и регулирующие стержни из бора, если количество исходного бора в ходе выгорания уменьшается на 30 — 35%. Более стойкими являются в этих условиях материалы более тугоплавкие и более прочные. Например, керметы TiB₂ — Ti после их облучения потоком 3,9 ‘ 10²⁰ нейтрон/см² не разрушались длительное время, хотя их твердость заметно снижалась. Установлено, что у тех веществ и материалов на их основе, в которых атомы бора образуют каркасные структуры (В₁₂Сз, BN, МеВ₆, MeBj₂), при выгорании бора происходит значительно большая потеря прочности, чем у тех, где атомы бора образуют слои, цепочки или расположены изолированно. С другой стороны, стойкость к облучению и защитные свойства борсодержащих соединений тем больше, чем прочнее химическая связь между атомами бора и другими атомами, входящими в состав соединения. В ряде работ отмечалось, что создание мелкокристаллической структуры в керамике в процессе спекания приводит к повышению ее стойкости и на этом основании считают, что керамические материалы, в том числе и металлокерамика, весьма перспективны (с точки зрения радиационной стойкости) для применения в атомноэнергетическом машиносгроении.

С целью повышения термостойкости предпочтение отдают керметам TiC — Ti, TiB₂ — Ti, TiC — Me и др. Например, выгорание урана сопровождается выделением Кг⁸, поэтому наблюдается расширение и растрескивание образцов из оксидов и карбидов урана, однако применение керметов UC — U в значительной мерс обеспечивает повышение термостойкости элементов конструкций реакторов. Облучение нейтронами интенсивностью Ю²⁰ нейтрон/см² кермета АЬОз — Сг не приводит к заметному изменению его структуры и свойств. Применение кермета АЬОз — Сг в топливных элементах (с введением в его состав диоксида урана) при облучении с интенсивностью 2,53 • Ю²⁰ нейтрон/см² при 1270 К сопровождается небольшими изменениями сгруктуры.

Г. В. Самсонов и М. С. Ковальченко установили, что в целом стойкость к облучению керамических материалов оказывается тем больше, чем более изотропна их макрои микроструктура и чем больше прочность межатомных связей в материале. Это подтверждается также Клэйтоном, который установил, что в условиях сильного облучения в потоке нейтронов (интенсивностью 0,98 ' 10²² нейтрон/см²) коррозионная стойкость спеченных материалов тепловыделяющих элементов убывает в следующей последовательности: ТЬСЬ > Th0₂ — U0₂ > Zr0₂ — U0₂ > Zr0₂ — СаО — U0₂ > U0₂. Коррозионной средой при этом служила сжатая вода с pH = 10 за счет добавки в нее NH₄OH при 566−588 К.

Следует, однако, подчеркнуть, что высокая надежность консгрукции атомных реакторов может быть достигнута только с применением огнеупорной керамики, стойкость которой к облучению и к коррозионному воздействию теплоносителей значительно выше металлических сплавов.

Конструкционная керамика для атомно-энергетического машиностроения.

Состав керамического материала.

Наиболее подходящие технологические методы изготовления изделий.

Кажущаяся плотность, кг/м³

Максимальная температура длительного применения, К.

Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов, м²/м³

Действие облучения быстрыми нейтронами.

Применение в атомных реакторах.

а-АЬОз.

Шликерное литье, пластичное формование, полусухое прессование, спекание при.

1900;2200 К.

1700−2000.

1,01.

(0,7 — 1,0) • 10²¹ нейтрон/см²
1) Уменьшение плотности от 0,01 до 1%
2) Уменьшение теплопроводности на 20%
3) Радиационные повреждения отмечаются при 1000- 1300 К

Топливные элементы, несущие конструкции.

ВеО.

Шликерное литье, пластичное формование, полусухое прессование, спекание при 1950 2200 К.

1800 2000.

0,074.

(1 — 4)^ • кР нейтрон/см" .

1) Уменьшение плотности на 0,1%
2) Уменьшение модуля Юнга на 19%
3) Уменьшение прочности от 10% до 80%
4) Радиационные превращения снимаются при 1600

Топливные элементы, замедлители, отражатели, несущие конструкции.

Состав керамического материала.	Наиболее подходящие технологические методы изготовления изделий.	Кажущаяся плотность, кг/м³	Максимальная температура длительного применения, К.	Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов, м²/м³	Действие облучения быстрыми нейтронами.	Применение в атомных реакторах.
Н, СЬ.	Шликсрнос литье, пластичное формование, полусухое прессование, спекание при 2200 К.		2200−2300.	318,0.		Системы контроля и управления, экраны защиты от потоков нейтронов.
Gd₂0₃	Шликерное литье, пластичное формование, полусухое прессование, спекание при. 1800−2000 К.		1600−1700.	10 900,0.		Системы контроля и управления, защитные экраны от потока тепловых нейтронов.
MgO.	Полусухое прессование, спекание при 2000 — 2200 К.		0,32.	0,32.	О — 6)^ • ЙР нейтрон/см² 1) Уменьшение плотности на 0,5 — 1,0% 2) Уменьшение прочности на 17 %	Топливные элементы, защитные экраны.
Th0₂	Пластичное формование, полусухое прессование, спекание при 2100−2300 К.		2300−2600.	16,0.	(2 — 4)^ • ЙР нейтрон/см" Радиационных повреждений не обнаружено.	Топливные элементы, защитные экраны наиболее весокотемпературных частей реакторов.

Состав керамического материала.	Наиболее подходящие технологические методы изготовления изделий.	Кажущаяся плотность, кг/м³	Максимальная температура длительного применения, К.	Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов, м²/м³	Действие облучения быстрыми нейтронами.	Применение в атомных реакторах.
С р	Пластичное формование, полусухое прессование и спекание при 2850 — 2000 К.		1700−2000.	16,5.	(2 — 4)^ • КР нейтрон/см‘ 1). Керамические образцы разрушаются в порошок 2). Уменьшение размеров блоков мозаичной структуры с 67 до 50 — 56 нм	Топливные элементы, защитные экраны от потока тепловых нейтронов.
гю₂ (стабилизированный CaO, MgO, Y2O3 и другие 1 — 5%).	Шликерное литье, пластичное формование, полусухое прессование, спекание при. 1950;2300 К.	5500−5980 (зависит от степени стабилизации).	2100−2400.	0,5−1,0.	1,5 • 10^lif нейтрон/см² 1) Уменьшение объема кристаллической решетки 2) Образование нестехиометрнческих дефектов по кислороду	Защитные экраны в наиболее температурно-напряженных частях реакторов.
Ве₂С.	Горячее прессование в графитовых формах при 1800 1900 К.			0,100.		Топливные элементы, замедлители, отражатели тепловых нейтронов.

Состав керамического материала.	Наиболее подходящие технологические методы изготовления изделий.	Кажущаяся плотность, кг/м³	Максимальная температура длительного применения, К.	Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов. м7м³	Действие облучения быстрыми нейтронами.	Применение в атомных реакторах.
в₄с:	Горячее прессование при 2300 К.		1900'.		3 • 10″ ⁴¹ нейтрон/см*¹ 1) Изменений объема не наблюдалось 2) Увеличение твердости на 5 — 7% 3) Уменьшение прочности на 5 — 7%	Системы контроля и управления, защитные экраны от потока тепловых нейтронов.
SiC.	Пластичное формование, полусухое прессование, горячее прессование.	3140−3160.	1700−2100.	0,647.	U ^— йГ нейтрон/см". 1) Увеличение объема на 0,9% 2) Уменьшение прочности на 20%	Топливные элементы, элементы несущих конструкций высокотемпературной части реакторов.
ТаС.	I Частичное формование, полусухое прессование тонкоднсперсных порошков, спекание при 2000 2200 К.		До 2500.	96,4.	1 • 10‘^и нейтрон/см~ 1) Увеличение твердости на 10% 2) Уменьшение прочности в 1,5−2 раза	Конструкционный материал для высоких температур
TiC.	Шликерное литье, пластичное формование, полусухое прессование тонкодисперсных порошков, спекание при 2100−2200 К.	4910−4920.	До 2000.	27,7.	1 • 10‘° нейтрон/см‘ 1) Увеличение твердости на 15% 2) Уменьшение прочности в 1,5−2 раза.	Конструкционный материал для высоких температур

Состав керамического материала.	Наиболее подходящие технологические методы изготовления изделий.	Кажущаяся плотность, кг/м³	Максимальная температура длительного применения. К.	Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов, м²/м³	Действие облучения быстрыми нейтронами.	Применение в атомных реакторах.
ис₂	Горячее прессование при 2200 К.		;	19,2.	;	Топливные элементы.
ZrC.	Пластичное формование. полусухое прессование тонкодисперсных порошков, спекаание при 2200 2400 К.	6630 6670.	2200 2300*.	0,72.	1 • 10¹⁹ нейтрон/см² 1) Увеличение твердости на 1 — 2% 2) Уменьшение прочности в 1,5−2 раза	Топливные элементы, элементы конструкций высокотемпературной части реакторов.
В. BN.	Г орячее прессование при 2000 2300 К.		1900;2300'.	8000−9600.		Системы контроля и управления, отражательные экраны нейтронных потоков.
MoSi₂	Пластичное формование. полусухое прессование тонкодисперсных порошков, спекание при 1700- 1850 К.	6100−6200.	1800−2000.	6,5.		Топливные элементы, элементы конструкций, устойчивые в окислительных средах при температурах 1850 — 1950 К.
72% Сг +. + 28% АЬОз (кермет).	Пластичное формование, полусухое прессование, спекание при 1850 1950 К.		1400−1600.	14,7.		Топливные элементы и термостойкие элементы конструкций реакторов.

Состав керамического материала.	Наиболее подходящие технологические методы изготовления изделий.	Кажущаяся плотность, кг/м³	Максимальная температура длительного применения, К.	Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов, м²/м³	Действие облучения быстрыми нейтронами.	Применение в атомных реакторах.
30% Сг +. + 70% Л1₂0з (кермет).	Пластичное формование, полусухое прессование, спекание при 1850- 1950 К.	4670−4677.	1400−1600.	5,6.		Термостойкие топливные элементы и термостойкие элементы конструкций реакторов.
80% TiC + +20% Ni (кермет).	Пластичное формование, полусухое прессование, спекание при 1850 К.	5780 5790.	1300 1400.	31,1.		Конструкционная керамика атомных реакторов.
TiB.	Пластичное формование, полусухое прессование, спекание в вакууме при 2100- 2200 К.		1700−2200.		1 • 10¹" нейтрон/см² 1) Увеличение твердости на 20 — 30% 2) Уменьшение прочности вплоть до рассыпания в порошок
Керметы на основе TiB-. — 80% TiC ; — 20%.	Пластичное формование, полусухое прессование, спекание в вакууме при 1900 — '2100 К.		1600−1800.		1 • 10'° нейтрон/см" 1) У вел ичение твердости на 10 — 15% 2) Уменьшение прочности вдвое
*При отсутствии кислорода в окружающей среде.
Примечание. При составлении таблицы помимо справочников использованы данные из «Ceramic Industry».

Показать весь текст

Заполнить форму текущей работой