2. Конструкционные материалы. Теплоносители

Строительство атомных электростанций, атомных кораблей требует самых разнообразных материалов: конструкционных сталей, нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов, цветных металлов и других металлических материалов. Но атомная техника предъявила к материалам, используемым для изготовления некоторых деталей, особые требования, не встречающиеся в других отраслях техники. В данном случае речь идет в первую очередь о такой важнейшей характеристике, как способность ядра атома поглощать тепловые нейтроны (нейтроны с низкой энергией).

Для атомной техники требуются материалы и с высокой способностью к поглощению нейтронов, и с малой. Способность разных металлов поглощать нейтроны колеблется в очень широких пределах (табл. 103).

Защита от нейтронного облучения будет осуществляться наиболее эффективно экранами, изготовленными с применением элементов, расположенных в правой стороне табл. 103. Металлы, расположенные в левой части таблицы, можно использовать как конструкционные материалы для реакторов. Магний и алюминий из-за низкой температуры плавления иногда оказываются неподходящими, и в этом случае используют бериллий и цирконий.

Таблица 103. (см. скан) Эффективное сечение захвата тепловых нейтронов и температура плавления некоторых металлов

Бериллий. Поскольку такое свойство атомов, как поперечное сечение захвата, не зависит от состояния, в каком находится элемент, то бериллий применяют в металлическом виде и в виде соединений с кислородом, углеродом и водородом (оксиды, карбиды и гидриды бериллия).

Технический бериллий представляет собой хрупкий металл с прочностью около и удлинением Его низкая пластичность может быть обусловлена недостаточной чистотой, так как этот металл особенно чувствителен к загрязнениям. Коррозионная стойкость бериллия высокая. О бериллии как конструкционном мате риале будет сказано дальше.

Ввиду малой величины эффективного захвата тепловых нейтронов, высокой температуры плавления и высокой коррозионной стойкости бериллий можно применять для плакировки стержней ядерного горючего, однако чрезвычайно высокая стоимость бериллия ограничивает его использование. Для этой цели в настоящее время применяют более дешевый металл — цирконий.

Цирконий. Благодаря малому сечению захвата, высокой температуре плавления, пластичности и высокой коррозионной стойкости цирконий получил преимущественное применение для покрытия тепловыделяющих элементов и труб. Цирконий имеет две аллотропические модификации: а с решеткой и с решеткой . Температура перехода равна Механические свойства циркония колеблются в зависимости от чистоты, структурного состояния и других факторов в следующих пределах: твердость Отсюда видно, что это весьма мягкий и непрочный металл. Легирование циркония значительно упрочняет его. Известны сплавы на основе циркония с прочностью (при этом пластичность снижается до ). В качестве одного из высокопрочных сплавов циркония можно указать на сплав циркаллой, содержащий

Коррозионная стойкость циркония значительно зависит от его чистоты. Сотые доли процента углерода и азота снижают его коррозионную стойкость. Однако некоторые добавки нейтрализуют вредное влияние загрязнений (так, ниобий нейтрализует действие углерода, а олово — азота). Наличие фазового превращения позволяет воздействовать на свойства циркониевых сплавов термической обработкой. Диаграммы состояния циркония со многими элементами построены, однако данных о термической обработке и совершающихся при этом структурных превращениях мало.

Технический цирконий содержит в некотором количестве (обычно около примесь гафния — соседа в периодической системе и близкого ему по свойствам.

Однако гафний резко отличается по ядерным свойствам от циркония (см. табл. 103 — эффективное сечение захвата гафния почти в 1000 раз больше; поэтому для основного назначения цирконий должен быть очищен от гафния, что является весьма сложной задачей и сильно увеличивает стоимость металла. Для других случаев (т. е. не для ядерной техники) этого делать, разумеется, не следует, так как наличие гафния не оказывает заметного влияния на механические и химические свойства циркония.

Цирконий находит также применение, как поглотитель газов (геттер), в хирургии в и металлургии (легирующая присадка, раскислитель).

Теплоносители. Для активного теплообмена в ядерных реакторах применяют металлические теплоносители, имеющие более высокую теплопроводность, чем вода или газы. В качестве теплоносителей следует применять металлы с низкой температурой плавления. В зависимости от принципа действия реактора в качестве теплоносителя можно применять висмут (и его сплавы) или натрий.

В реакторах одних типов теплоноситель должен содержать в растворенном состоянии ядерное топливо — уран, поэтому следует выбирать металл с низкой температурой плавления, способный растворять уран.

Данные, приведенные в табл. 104 показывают, что из всех легкоплавких металлов для этого больше всего подходит висмут.

Таблица 104. (см. скан) Физические свойства цветных металлов

Кроме того (что немаловажно), висмут имеет небольшую способность к поглощению тепловых нейтронов.

Применение вместо чистого висмута эвтектики состава в с температурой плавления 125 °С (рис. 388, а) вполне возможно, так как добавка свинца удешевляет расплав, делает его более жидкоподвижным вследствие снижения температуры плавления.

Очень важно взаимодействие расплавленного висмута (или сплава со стенками труб теплообменника, которые должны быть изготовлены из металлического материала. Устойчивость разных металлов в такой среде весьма различна и зависит от температуры среды.

Платина, марганец, никель полностью неустойчивы, а медь и алюминий не намного лучше их. Простое нелегированное железо и углеродистая сталь сохраняют устойчивость до более высоких температур (750 °С), чем нержавеющие стали. Бериллий и молибден устойчивы до 1000 °С. Таким образом, обычные представления о коррозионной стойкости металлов в данном случае неприемлемы.

Интенсивный отвод тепла, выделяющегося в реакторе при ядерном расщеплении, может быть осуществлен эффективно с помощью легких металлов; они по своим тепловым свойствам значительно превосходят воду, так как имеют более высокую скрытую теплоту испарения (на что следовательно, больше будет затрачиваться тепла), более низкую упругость пара (следовательно, система может работать при более низких давлениях и иметь более тонкие стенки), более высокий коэффициент теплопроводности и т. д.

Рис. 388. Диаграммы состояния:

Из числа приведенных в табл. 105 легких металлов не находит пока применения рубидий. По-видимому, потому, что он редко встречается. Применяют в основном, натрий, а также калий и литий похожий по свойствам на натрий.

Натрий при комнатной температуре очень мягкий (деформируется пальцами), легко режется ножом.

В реакторах применяют чистый натрий и его сплав с калием (см. рис. 388). Такой сплав при комнатной температуре находится в жидком состоянии, что представляет некоторые технические удобства. Коэффициент теплопроводности этого сплава несколько ниже, чем у чистого натрия.

Стойкость различных металлов против коррозионно-эррозионного воздействия жидкого натрия различна. Высокой стойкостью в натрии обладают никель, хром, молибден, железо, цирконий; ограниченно устойчивы титан и нержавеющая сталь, а углеродистая сталь, алюминий, платина неустойчивы. В наибольшей степени требованиям современной техники удовлетворяют аустенитная нержавеющая сталь и цирконий, обладающие оптимальным сочетанием требуемых свойств.

Стойкость различных металлов, особенно сплавов железа, резко уменьшается при наличии растворенного в натрии кислорода, даже в небольших количествах. Поэтому применяемый жидкий натрий, как и сплав должен быть тщательно очищен от кислорода.