Нейтронно-поглощающая сталь

Изобретение относится к области металлургии, а именно к нейтронно-поглощающей стали, используемой в атомном энергомашиностроении в качестве материала чехловых труб поглотителей нейтронов в средствах транспортировки и уплотненного хранения отработанного топлива в бассейнах выдержки. Сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, ванадий, никель, церий, алюминий, карбид бора, диборид титана, железо и неизбежные примеси при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,025-0,15, кремний 0,10-0,60, марганец 0,10-0,60, хром 13,0-16,00, ванадий 0,05-0,35, никель 0,05-0,50, церий 0,001-0,025, алюминий 0,005-0,025, карбид бора 0,05-0,20, диборид титана 4,1-8,0, железо и неизбежные примеси - остальное. Сталь содержит карбид бора и диборид титана в виде частиц размером 30-80 мкм, равномерно распределенных в стальной матрице. Сталь дополнительно может содержать по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, мас.%: кальций 0,005-0,02 и цирконий 0,05-0,20. В качестве неизбежных легкоплавких примесей она содержит свинец, висмут, олово, сурьму и мышьяк при суммарном содержании, не превышающем 0,05 мас.%. В качестве неизбежных примесей она содержит серу ≤0,008 мас.%, фосфор ≤0,008 мас.% и кислород ≤0,005 мас.%. Обеспечивается возможность использования стали для изготовления конструкций средств транспортировки и хранения топлива с обогащением до 9,0%. 3 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к нейтронно-поглощающей стали и может быть использовано в атомном энергомашиностроении в качестве материала чехловых труб - поглотителей нейтронов в средствах транспортировки и уплотненного хранения отработанного топлива в бассейнах выдержки.

Известна коррозионно-стойкая сталь с повышенной нейтронной поглощаемостью, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, бор, ванадий, церий, алюминий, титан, серу, фосфор, водород и железо при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 0,02-0,08, кремний 0,10-0,80, марганец 0,10-0,50, хром 13,0-16,0, бор 1,5-3,2, ванадий 0,05-0,25, церий 0,01-0,04, алюминий 0,15-0,8, титан 3,0-6,56, сера ≤0,015, фосфор ≤0,020, водород ≤2 ppm, железо - остальное.

(RU 2434969, С22С 38/32, опубликовано 27.11.2011)

Недостатком известной стали при ее использовании в стеллажах бассейнов выдержки облученного ядерного топлива является достаточно низкое содержание бора, что ограничивает ее применение в конструкциях для хранения топлива, содержащего не более 5% урана U-235.

Наиболее близкой по технической сущности является коррозионно-стойкая нейтронно-поглощающая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, бор, ванадий, церий, алюминий, титан, серу, фосфор, ванадий, церий, алюминий, титан, серу, фосфор и железо, при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 0,02-0,05, кремний 0,10-0,80, марганец 0,10-0,50, хром 13,0-16,0, бор 2,01-3,5, ванадий 0,15-035, церий 0,03-0,07, алюминий 0,15-0,80, титан 4,02-8,50, никель 0,05-0,50, сера 0,005-0,02, фосфор 0,005-0,03, свинец - не более 0,005, висмут - не более 0,005, железо - остальное.

(RU 2519064, С22С 38/32, С22С 38/60, опубликовано 10.06.2014)

Недостатком данной стали, также является относительно низкая пластичность стали, приводящая в процессе прокатки шестигранных труб к образованию дефектов в виде трещин в углах трубы. Кроме того, известную сталь в виде шестигранных труб возможно использовать для уплотненного хранения топлива с обогащением до 8%.

Задачей и техническим результатом изобретения является создание стали для изготовления конструкций средств транспортировки и хранения ядерного топлива с обогащением до 9,0%.

Технический результат достигается тем, что нейтронно-поглощающая сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, ванадий, никель, церий, алюминий и железо и неизбежные примеси, причем дополнительно содержит карбид бора и диборид титана с размерами частиц 30-80 мкм при следующем соотношении компонентов, мас. %:

углерод	0,025-0,15
кремний	0,10-0,60
марганец	0,10-0,60
хром	13,0-16,00
ванадий	0,05-0,35
никель	0,05-0,50
церий	0,001-0,025
алюминий	0,005-0,025;
карбид бора	0,05-0,20
диборид титана	4,1-8,0
железо и неизбежные примеси	остальное

Технический результат также достигается тем, что сталь дополнительно содержит, по крайней мере, один элемент, выбранный из группы, мас. %: кальций 0,005-0,02, цирконий 0,05-0,20; при этом суммарное содержание неизбежных примесей легкоплавких металлов - свинца, висмута, олова, сурьмы и мышьяка, не превышает 0,05 мас. %, а содержание неизбежных примесей серы, фосфора и кислорода не превышает, мас. %: сера ≤0,008, фосфор ≤0,008 и кислород ≤0,005.

Диборид титана в количестве от 4,1 до 8,0 мас.% с размерами частиц 30-80 мкм равномерно распределен в стальной матрице. При этом нижний предел 4,1 мас.% определяется достижением необходимого уровня поглощения нейтронного излучения, а верхний 8,0 мас.% - с целью предотвращения образования в стали дефектов при горячей и холодной прокатке.

Известно, что введение борсодержащего порошка, например, порошка нитрида бора, в количестве 0,5-5% не приводит к ухудшению механических характеристик стали, используемой для хранения и транспортировке ядерных отходов, а также в конструкциях для нейтронного экранирования, после ее пластической деформации.

(JPS 63293139, С22С 38/00, С22С 38/54, опубликовано 11.11.1988)

Введение в сталь по изобретению диборида титана и карбида бора в виде порошков с размерами частиц 30-80 мкм также не снижает пластических и прочностных свойств стали, что обеспечивает ее безопасное использование в аварийных ситуациях при воздействии ударных нагрузок.

При этом при затвердевании стали мелкодисперсные частицы карбида бора являются центрами кристаллизации, равномерно распределенными в объеме металла, что способствует значительному повышению пластичности и ударной вязкости стали.

Выбранные концентрационные диапазоны известных компонентов стали, мас. %: углерода 0,025-0,15; кремния 0,10-0,60; марганца 0,10-0,60; хрома 13,0-16,00; ванадия 0,05-0,35; никеля 0,05-0,50; церия 0,001-0,025 и алюминия 0,005-0,025; являются оптимальными с точки зрения достижения требуемых физико-механических характеристик стали и бездефектного распределения борсодержащих частиц в металлической матрице.

При этом присутствие в стали повышенного содержания углерода, а также никеля и марганца способствует образованию ферритно-мартенситной структуры, что способствует усилению поглощающей способности стали.

Содержание алюминия в количестве 0,005-0,025 мас. % благоприятно влияет на форму неметаллических включений, очищает и упрочняет границы зерен, повышает их пластичность и ударную вязкость, что обеспечивает повышение служебных и технологических свойств и нивелирует воздействие нейтронного облучения.

Дополнительное легирование стали кальцием 0,005-0,02 мас. % и цирконием 0,05-0,20 мас. % способствует уменьшению ее активируемости под действием нейтронного облучения.

Ограничение содержания неизбежных примесей серы ≤0,008 мас. %, фосфора ≤0,008 мас. % и кислорода ≤0,005 мас. % снижает вероятность образования дефектов в стали при горячей и холодной деформации.

Ограничение суммарного содержания неизбежных легкоплавких примесей свинца, висмута, олова, сурьмы и мышьяка до ≤0,05% увеличивает сопротивление стали низкотемпературному охрупчиванию в условиях нейтронного облучения.

Заявляемую сталь можно выплавлять в открытых дуговых электропечах, в вакуумных индукционных и плазменных печах, возможен также электрошлаковый и вакуумный дуговой переплав этой стали. Введения карбида бора и диборида титана осуществляется в струе аргона.

Таким образом, сталь по изобретению с повышенным содержанием бора возможно использовать для изготовления конструкций средств транспортировки и хранения топлива с обогащением до 9,0%, для изготовления чехловых шестигранных труб при обеспечении ядерной безопасности и надежной защите тепловыделяющих сборок при их транспортировке с уровнем подкритичности более 0,95, а также листа для средств транспортировки и хранения топлива реакторов ВВЭР.

1. Нейтронно-поглощающая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, ванадий, никель, церий, алюминий, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит карбид бора и диборид титана при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	0,025-0,15
кремний	0,10-0,60
марганец	0,10-0,60
хром	13,0-16,00
ванадий	0,05-0,35
никель	0,05-0,50
церий	0,001-0,025
алюминий	0,005-0,025
карбид бора	0,05-0,20
диборид титана	4,1-8,0
железо и неизбежные примеси	остальное,

при этом она содержит карбид бора и диборид титана в виде частиц размером 30-80 мкм, равномерно распределенных в стальной матрице.

2. Сталь по п. 1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, мас.%: кальций 0,005-0,02 и цирконий 0,05-0,20.

3. Сталь по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве неизбежных примесей она содержит легкоплавкие примеси свинца, висмута, олова, сурьмы и мышьяка при суммарном содержании, не превышающем 0,05 мас.%.

4. Сталь по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве неизбежных примесей она содержит серу ≤0,008 мас.%, фосфор ≤0,008 мас.% и кислород ≤0,005 мас.%.