Замедлитель нейтронов на основе гидрида циркония

Предлагаемое изобретение относится к материалам, используемым в качестве замедлителей нейтронов в ядерном реакторе. Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание замедлителя нейтронов, содержащего в качестве основы гидрид циркония, который обладал бы более высокой коррозионной устойчивостью и максимально удерживал бы в своем составе водород при высоких температурах.

Для решения поставленной задачи в известный материал на основе гидрида циркония, содержащий алюминий, дополнительно введен никель при следующем соотношении компонентов, вес.%:

алюминий 0,1-0,3 никель 0,5-1,0 гидрид циркония остальное.

3 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к материалам, используемым в качестве замедлителей нейтронов в ядерном реакторе.

Известны материалы на основе гидрида циркония, которые используются в качестве замедлителей нейтронов, а также для хранения и аккумуляции водорода.

Известен материал на основе гидрида циркония, содержащий в своем составе Мо, Та, Nb, Ni, В, Cu и др. [US №4216110, 1980].

Недостатком этого материала является невысокая коррозионная устойчивость в окислительной среде и большие потери водорода при высоких температурах.

Известен материал на основе гидрида циркония, содержащий в своем составе один или несколько элементов из группы: Ni, Be, Se и др. от 0,01 до 10% в сумме [US №216110, 1966], выбранный в качестве прототипа.

Однако недостатком этого материала является низкая коррозионная устойчивость в окислительной среде и большие потери водорода при высоких температурах.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание замедлителя нейтронов, содержащего в качестве основы гидрид циркония, который обладал бы более высокой коррозионной устойчивостью и максимально удерживал бы в своем составе водород при высоких температурах.

Для решения поставленной задачи в известный материал на основе гидрида циркония, содержащий алюминий, дополнительно введен никель при следующем соотношении компонентов, вес.%:

алюминий	0,1-0,3
никель	0,5-1,0
гидрид циркония	Остальное

Основой заявляемого материала является гидрид циркония «δ» и «ε» фаз, содержащий 1,4-2,0% водорода.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими таблицами.

Для определения оптимального состава материала было выплавлено 27 сплавов циркония с различным содержанием алюминия и никеля (таблица 1).

Каждый сплав выплавляли отдельно в дуговой вакуумной печи с расходуемым электродом, который содержал указанное в таблице 1 количество легирующих добавок.

Для более равномерного распределения легирующих элементов применяли двойной переплав слитков. Полученные слитки прессовали отдельно друг от друга в медной оболочке при температуре 700°С в прутки диаметром 12 мм со степенью обжатия 98-99%. Прутки разрезали на заготовки и при температуре 900°С насыщали водородом до необходимого содержания 1,4-2,0% по отработанной методике.

Результаты испытаний на коррозию в окислительной атмосфере, проведенных при температуре 500-800°С продолжительностью от 500 до 2000 часов, приведены в табл.2 и 3.

Потери водорода в исследованных материалах в процессе испытаний, приведены в табл.3.

Полученные результаты показали, что наименьшие потери водорода при высоких температурах имеет гидрид циркония, содержащий 0,7% Ni и 0,1% Al.

Как видно из табл.2 и 3, величины коррозии и потери водорода заявляемого материала значительно меньше, чем те же величины известных гидридных материалов.

Оптимальная добавка никеля находится в пределах 0,5-1,0 вес.% и при уменьшении или увеличении количества никеля коррозионные свойства материала ухудшаются. Наилучшие свойства заявляемый материал имеет при одновременном сочетании легирующих добавок алюминия и никеля: алюминия в пределах 0,1-0,3 вес.% и никеля в пределах 0,5-1,0 вес.%.

Технология выплавки, прессования и гидрирования предложенного материала не менялась по сравнению с используемой для известного материала.

Пример осуществления изобретения.

В дуговой вакуумной печи с расходуемым электродом выплавлен сплав циркония с 0,7 вес.% никеля и 0,2 вес.% алюминия диаметром 150 мм. После обдирки слитка до диаметра 130 мм его прессовали в прутки со степенью обжатия 95%. Прутки разрезали на заготовки, травили, загружали в автоклав и насыщали водородом по стандартной методике гидрирования до содержания водорода 1,85 вес.%. После гидрирования образцы испытывали на коррозию в окислительной среде и на потерю водорода при температуре 700°С. В результате испытаний сплав с указанным содержанием легирующих добавок показал наилучшие результаты.

Таблица 1.
Содержание алюминия и никеля в выплавленных сплавах циркония
Содержание никеля, %	0	0,2	0,3	0,4	0,5	0,7	1,0	2,6
Содержание алюминия, %
0	X						X	X
0,1	X			X	X	X
0,2		X	X		X	X
0,3		X				X	X
0,5	X		X				X
1,0	X			X				X
1,9	X						X

Таблица 2.
Коррозия образцов легированного гидрида циркония за время испытаний 500 час
№№ пп	Содержание легирующих элементов, вес.%	Коррозия образцов в мг/см2 при температуре, °С
700	750
1	Нелегиров. гидрид циркония	10,0	разруш.
2	0,1 Al	8,0	разруш.
3	0,5 Al	разруш.	разруш.
4	1,0 Al	разруш.	разруш.
5	1,9 Al	разруш.	разруш.
6	0,2 Ni-0,5 Al	-7,0	разруш.
7	0,2 Ni-0,3 Al	-5,5	разруш.
8	0,3 Ni-0,2 Al	-2,0	разруш.
9	0,3 Ni-0,5 Al	-2,0	разруш.
10	0,4 Ni-0,1 Al	8,5	18,0
11	0,4 Ni-1,0 Al	10,0	разруш.
12	0,5 Ni-0,1 Al	6,5	8,5
13	0,5 Ni-0,2 Al	6,0	8,0
14	0,7 Ni-0,1 Al	4,8	7,0
15	0,7 Ni-0,2 Al	4,2	6,0
16	0,7 Ni-0,3 Al	5,0	7,5
17	1,0 Ni	8,5	разруш.
18	1,0 Ni-0,3 Al	8,0	12,5
19	1,0 Ni-0,5 Fe	10,0	разруш.
20	1,0 Ni-1,9 Al	16,5	разруш.
21	2,6 Ni	10,	разруш.
22	2,6 Ni-1,0 Al	разруш.	разруш.
23	0,7 Ni-0,7 Fe	-7,0	разруш.
24	0,5 Cu-0,2 Al	-10,0	разруш.
25	0,1 Cu-0,3 Al	разруш.	разруш.
26	1,0 Fe	разруш.	-
27	1,0 Cr-1,0 Fe	разруш.	-

Таблица 3.
Количество водорода, теряемое образцами гидрида циркония во время коррозионных испытаний в окислительной атмосфере при 700°С.
Содержание легирующих добавок, вес %	0,7 Ni-0,1 Al	Нелегированный гидрид	0,7 Ni-0,7 Fe	0,7 Cu-0,7 Mo	2,0 Cu
Время испытаний, час	500	1000	2000	500	1000	2000	500	1000	2000	500	1000	2000	500	1000	2000
Потери водорода, %	0	1,5	2,8	0,3	2,4	4,5	1,5	4,5	-	2,6	3,2	5,2	0,4	1,9	6,2

Замедлитель нейтронов на основе гидрида циркония, содержащий алюминий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит никель при следующем соотношении компонентов, вес.%:

алюминий	0,1-0,3
никель	0,5-1,0
гидрид циркония	остальное