Нейтронно-поглощающая сталь

Изобретение относится к области металлургии и касается разработки состава коррозионно-стойкой легированной нейтронно-поглощающей стали, используемой в атомном энергомашиностроении в качестве материала для защитных чехлов при транспортировке и хранении ядерного топлива. Сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, бор, ванадий, церий, алюминий, титан и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,021-0,10, кремний 0,10-0,80, марганец 0,10-0,50, хром 13,0-16,0, бор 2,01-3,5, ванадий 0,05-0,35, церий 0,01-0,04, алюминий 0,15-0,8, титан 4,02-10,0, железо остальное. Повышается нейтронно-поглощающая способность стали и обеспечивается возможность ее использования в средствах транспортировки и хранения топлива с обеспечением ядерной безопасности в условиях нормальной эксплуатации и в аварийных ситуациях.

 

Изобретение относится к области металлургии и касается разработки состава коррозионно-стойкой легированной нейтронно-поглощающей стали, которая обладает высокими механическими свойствами, высокой способностью к поглощению нейтронов, технологичностью при горячей и холодной обработке давлением и может быть использована в атомном энергомашиностроении в качестве материала чехловых труб - поглотителей нейтронов в средствах транспортировки и хранения топлива.

Известна коррозионно-стойкая сталь ОХ18Р15Р (ЭП 304), содержащая, мас.%:

Углерод	до 0,006
Кремний	до 0,8
Марганец	до 1,50
Хром	18-20
Никель	9,0-11,0
Бор	0,65-1,15
Железо	остальное.

Недостатком известной стали при удовлетворительной способности к поглощению нейтронов является низкая технологическая пластичность при температурах горячей деформации, а также склонность к межкристаллической коррозии и коррозионному растрескиванию в средах АЭС, что не позволяет использовать ее в качестве материала чехловых труб - поглотителей нейтронов в средствах транспортировки и хранения отработанного топлива АЭС.

По технической сущности наиболее близкой к предлагаемому изобретению является коррозионно-стойкая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, бор, ванадий, церий, алюминий, титан и железо, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,02-0,10
Кремний	0,10-0,80
Марганец	0,10-0,50
Хром	13,0-16,0
Бор	1,0-2,0
Ванадий	0,05-0,35
Церий	0,01-0,04
Алюминий	0,15-0,8
Титан	2,0-4,0
Железо	остальное.

(см., например, Патент РФ №1122009, кл. С22С 38/32 от 19.07.1983 г.). Однако известная коррозийно-стойкая сталь при ее использовании в стеллажах бассейнов выдержки облученного ядерного топлива (ОЯТ) не обеспечивает безопасность его хранения и транспортировки при содержании в нем урана U-235>5%, что объясняется низким процентным содержанием бора в ее составе.

Техническим результатом данного изобретения является возможность размещения в средствах транспортировки и хранения топлива (ТВС) обогащением до 8,0% и более для обеспечения ядерной безопасности в условиях нормальной эксплуатации и в аварийных ситуациях при использовании в конструкциях средств обращения топлива нейтронно-поглощающей коррозионно-стойкой стали.

Достигается это тем, что нейтронно-поглощающая сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, бор, железо, ванадий, церий, алюминий и титан при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,021-0,10
Кремний	0,10-0,80
Марганец	0,10-0,50
Хром	13,0-16,0
Бор	2,01-3,5
Ванадий	0,05-0,35
Церий	0,01-0,04
Алюминий	0,15-0,8
Титан	4,02-10,0
Железо	остальное.

Сущность изобретения заключается в том, что увеличение процентного содержания бора в составе заявляемой стали увеличивает ее нейтронно-поглощающую способность, а увеличение процентного содержания титана способствует повышению пластических и прочностных свойств стали, необходимых для обеспечения безопасности в аварийных ситуациях с ударными нагрузками (падение тяжелых предметов) и при изготовлении из нее конструкций для использования в стеллажах бассейнов выдержки и в транспортных упаковочных контейнерах.

Сравнение предложенного технического решения с известным позволяет утверждать о соответствии критерию «новизна», а отсутствие в аналоге отличительных признаков говорит о соответствии критерию «изобретательский уровень»

Предварительные испытания позволяют утверждать о возможности широкого промышленного использования.

Авторами предлагаемого технического решения были проведены расчеты и эксперименты, которые позволили определить зависимость процентного содержания бора в коррозийно-стойкой стали и обогащения топлива на уране U-235. Отношение содержания бора естественного изотопного состава (вес.%) в бористой стали к обогащению топлива должно быть

С_б>1/3×ρ⁵,

где С_б - содержание бора в стали (вес.%);

ρ - обогащение топлива по урану-235.

Повышенное содержание титана в коррозийно-стойкой стали по сравнению с прототипом объясняется необходимостью достижения оптимального уровня пластических и прочностных свойств нового типа коррозийно-стойкой нейтронно-поглощающей стали.

Следует отметить, что увеличение процентного содержания бора >3,5% резко снижает технологичность производства коррозийно-стойкой стали, так как резко снижаются пластические свойства коррозийно-стойкой стали, несмотря на значительное увеличение процентного содержания титана. С другой стороны, увеличение содержания боры в стали свыше 3,5% уже слабо влияет на поглощающие свойства стали поскольку достигается насыщение, обусловленное практически полным поглощением тепловых нейтронов при этом содержании бора. Поглощение же быстрых нейтронов малоэффективно ввиду малых сечений захвата.

Выбранное значение процентного содержания бора и титана в заявляемом изобретении является оптимальным и позволяет достигнуть поставленный технический результат.

Заявляемую сталь можно выплавлять в открытых дуговых электропечах, в вакуумных индукционных и плазменных печах, возможен также электрошлаковый и вакуумный дуговой переплав этой стали.

Все вышеперечисленное позволяет использовать заявляемую сталь в качестве материала для изготовления чехловых шестигранных труб, а также листа для средств транспортировки и хранения топлива реакторов ВВЭР.

Шестигранные чехловые трубы из описываемой стали дают возможность обеспечить максимально плотное размещение отработанных ТВС в средствах транспортировки и хранения топлива при обеспечении ядерной безопасности и надежной защите ТВС при их транспортировке.

Коррозионно-стойкая нейтронно-поглощающая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, бор, ванадий, церий, алюминий, титан и железо, отличающаяся тем, что она содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:

углерод	0,021-0,10
кремний	0,10-0,80
марганец	0,10-0,50
хром	13,0-16,0
бор	2,01-3,5
ванадий	0,05-0,35
церий	0,01-0,04
алюминий	0,15-0,8
титан	4,02-10,0
железо	остальное