Сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе циркония

Изобретение относится к области металлургии, к разработке новых нерадиоактивных материалов и может быть использовано в атомной энергетической промышленности для изготовления специального оборудования для влажного и сухого хранения отработанного ядерного топлива и его транспортировки. Сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе циркония содержит, вес.%: ниобий 0,9-1,1; самарий 0,5-5,0; гафний 0,5-2,5; цирконий и примеси остальное. Сплав характеризуется высоким уровнем поглощения тепловых нейтронов при сохранении эксплуатационной надежности. 2 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, к разработке новых нерадиоактивных материалов и может быть использовано в атомной энергетической промышленности. В частности, для изготовления специального оборудования для влажного и сухого хранения отработанного ядерного топлива и его транспортировки.

На сегодня, в отечественной промышленности для этих целей применяется сталь ЧС82 (04Х14Т3Р1Ф), (см. а.с. СССР №1122009, 1983 г., а также описание к патенту РФ №2483132, 2013 г.). За рубежом, сталь «БОРОН-304» (БССК, Англия). С 2008 года - алюминиевый сплав «Metamic™» (Holtec International, США). Все эти материалы обладают свойством поглощения тепловых нейтронов, за счет наличия в из составе в определенных пропорциях бора и его изотопа 10В.

Переход к новым типам ядерного топлива, более перспективным с точки зрения энергетики, предъявляет повышенные требования к материалу с поглощающими свойствами. Увеличение в процентном соотношении бора в названных металлах, существенно их охрупчивает, что делает их не пригодными в технологической переработке. Это общее свойство боридов, который бы имел не только высокий уровень поглощения тепловых нейтронов, но и обладал высокими эксплуатационными и пластическими свойствами, что в целом обеспечивает безопасность хранения отработанного ядерного топлива.

Известен сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе титана (патент РФ №2519063, БИ №16, 2014 г.). Здесь для увеличения поглощающих свойств известного сплава титана ПТ7М, добавляют в состав редкоземельный элемент - самарий, обладающий большим сечением захвата тепловых нейтронов (для природных изотопов: 149Sm ~ 50000⋅10-28 м2, 152Sm ~ 5600⋅10-28 м2, 154Sm ~ 5600⋅10-28 м2). Соответственно для бора: 10В ~ 3838⋅10-2 м2, 11B ~ 757-10-28 м2 (см. Справочник: свойства элементов / По ред. Дница М.Е. - М.: Издательский дом. «Руда и Металлы», 2005).

Недостатком этого сплава является способность титановой основы - матрицы поглощать водород из воздуха, особенно интенсивно при повышении температуры окружающей среды. Что приводит к охрупчиванию металла, его к растрескиванию со временем его эксплуатации. Это не допустимо в изделиях при сухом хранении отработанного ядерного топлива.

Наиболее близкий к описываемому по технической сущности и достигаемому эффекту является сплав на основе циркония (сплав Э110, ТУ95.166-83), который также применяется в атомной энергетике. Химический состав сплава Э110, вес. %:

Ниобий 0,9-1,1;

Цирконий и примеси остальное.

Содержание примесей представлено в табл. 1.

Поставленная цель достигается тем, что в известный сплав Э110 на основе циркония, добавляют редкоземельный элемент - самарий, в объеме, вес. %: (0,5-5,0), при этом увеличивается присутствие гафния в пределах вес. %: (0,5-2,5). Содержание примесей представлено табл. 2, где элемент гафний исключен из примесей и переведен в разряд состава сплава.

В атомной энергетике цирконий, благодаря высоким коррозионным свойствам, малому поперечному сечению захвата тепловых нейтронов, хорошим механическим свойствам и высокой жаропрочности, используют более пятидесяти лет для оболочек тепловыделяющих элементов в ядерных реакторах. Одна из проблем применения циркония в ядерной энергетике в качестве материала для оболочки тепловыделяющего элемента (ТВЭЛа) и других активной зоны реактора, это очистка циркония от примеси гафния. Последний имеет достаточно высокое эффективное сечение поглощения тепловых нейтронов (в среднем ~ 300⋅10-28 м2), по сравнению с цирконием ~ 0,18⋅10-28 м2, алюминием ~ 0,21⋅10-28 м2, титаном ~ 8,3⋅10-28 м2, ниобием ~ 1,1⋅10-28 м2, А так как цель изобретения - создание материала с высокой поглощающей способностью, в отличие от твельного варианта, содержание гафния в пределах технологической доступности (0,5-2,5)%, существенно снижает себестоимость заявленного материала.

Диапазон содержания в сплаве самария обусловлен оптимальным уровнем поглощения тепловых нейтронов и экономической целесообразностью. Ниже 0,5% - сплав не обеспечивает необходимый уровень поглощения, более 5% - повышается себестоимость сплава. Отметим, при выплавке циркониевого сплава, допускается добавление в его состав не только технически чистого самария, изготовленного по ТУ48-4-207-72, но и оксиды Sm2O3, гидриды SmH2, SmH3. При сплавлении самария с цирконием, образуется интерметаллическое соединение с высокими эксплуатационными свойствами. При этом, в отличие от бора, самарий не охрупчивает сплав, а существенно увеличивает его поглощающиеся возможности.

Промышленное производство циркониевых сплавов (Э635, Э110, Э125) с пониженным содержанием гафния, а также изделия из них (прутки, трубы, листы…) освоено на АО «Чепецкий механический завод», г. Глазов (www.chmz.net).

Сплав на основе циркония для поглощения тепловых нейтронов, содержащий ниобий, цирконий и примеси, отличающийся тем, что он дополнительно содержит самарий и гафний при следующем содержании компонентов, вес. %:

Ниобий 0,9-1,1
Самарий 0,5-5,0
Гафний 0,5-2,5
Цирконий и примеси остальное



 

Похожие патенты:

Группа изобретений относится к способу разделки двухпучковой отработавшей тепловыделяющей сборки (ОТВС) ядерного реактора. Способ разделки двухпучковой тепловыделяющей сборки ядерного реактора включает отрезку подвески и ее установку в транспортный контейнер для подвесок, разрезку перемычки, соединяющий два пучка твэлов, и установку их в транспортный контейнер.

Изобретение относится к водной сборке для ядерных реакторов. Водная сборка имеет отрицательный коэффициент реактивности с некоторой величиной.

Изобретение относится к системам остановки ядерных реакторов на быстрых нейтронах. Устройство содержит две емкости внутри шестигранного корпуса (1), геометрически идентичного корпусу тепловыделяющей сборки.

Изобретение относится к устройствам управления стержнями в ядерном реакторе (CRDM). Устройство содержит: соединительный стержень, соединенный с по меньшей мере одним управляющим стержнем; направляющий винт; устройство управления, предназначенное для линейного перемещения направляющего винта; электромагнитные катушки; фиксирующее устройство, которое сцепляет стержень с направляющим винтом, реагирует на возбуждение электромагнитных катушек и расцепляет соединительный стержень от направляющего винта при снижении возбуждения электромагнитных катушек.

Изобретение относится к регулированию реактивности в ядерном реакторе. Иллюстративные варианты осуществления характеризуют систему регулирования реактивности для реактора ядерного деления, имеющего спектр быстрых нейтронов, в частности для реактора ядерного деления на бегущей волне.

Изобретение относится к управлению ядерными реакторами. Способ управления включает формирование в активной зоне ядерного реактора зоны замедлителя, помещение в зону замедлителя топлива и обеспечение наличия одного или более корпусов, причем в единственном или каждом из корпусов имеется полость, примыкающая к топливу.

Группа изобретений относится к способам управления глубиной выгорания ядерного топлива. В ядерном реакторе деления на бегущей волне тепловыделяющая сборка содержит большое количество тепловыделяющих элементов ядерного деления, которые подвергаются воздействию фронта горения дефлаграционной волны, которая, в свою очередь, проходит через тепловыделяющие элементы.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к разработке новых нерадиоактивных материалов, и может быть использовано в атомной энергетической промышленности.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к разработке новых нерадиоактивных материалов, и может быть использовано в атомной энергетической промышленности.

Изобретение относится к атомной технике, в частности к способу изготовления поглощающих сердечников с регулируемой поглощающей способностью из материала, поглощающего нейтроны, и предназначенных для применения в поглощающих элементах системы управления и защиты ядерных энергетических реакторов.

Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано при изготовлении тепловыделяющих элементов и тепловыделяющих сборок для активных зон реакторов на быстрых нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем.

Изобретение относится к составу водорастворимого покрытия для защиты поверхности ядерного топливного стержня, а также к раствору покрытия и способу его нанесения.

Группа изобретений относится к композитной оболочке тепловыделяющего элемента ядерного реактора. Композитная оболочка тепловыделяющего элемента ядерного реактора содержит подложку, содержащую внутренний слой на основе циркония и один промежуточный слой, расположенный на указанном внутреннем слое и состоящий по меньшей мере из одного промежуточного материала, выбранного из тантала, молибдена, вольфрама, ванадия, гафния или их сплавов, и по меньшей мере один внешний слой, расположенный на подложке и состоящий из защитного материала, выбранного из хрома или сплава на основе хрома.

Изобретение относится к атомной энергетике и может найти применение при изготовлении тепловыделяющих элементов (твэлов) для атомных реакторов. Способ герметизации твэлов включает аргонодуговую сварку оболочки с заглушкой из высокохромистой стали, снаряжение твэла топливом, приварку к другому концу оболочки второй заглушки, термообработку сварных соединений.

Данное изобретение относится к оболочкам микротвэлов ядерного реактора. Оболочка полностью или частично изготовлена из композиционного материала с керамической матрицей, содержащей волокна карбида кремния (SiC) в качестве армирования матрицы и межфазный слой между матрицей и волокнами.

Изобретение относится к трубчатой оболочке тепловыделяющего элемента водяного реактора. .

Изобретение относится к атомной энергетике и может использоваться в тепловыделяющих элементах (ТВЭЛ) с таблеточным топливом, которые применяются в быстрых энергетических реакторах.
Изобретение относится к области ядерной энергетики и может быть использовано в сверхвысокотемпературных космических реакторах. .

Изобретение относится к области производства сталей для основного оборудования атомных энергетических установок. .
Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам получения полуфабриката из сплава на основе циркония, и может быть использовано для производства мишеней для реакционного магнетронного распыления в окислительной среде с плазмохимическим осаждением керамических слоев на основе оксидов, а также для изготовления деталей конструкций и экранов защиты от рентгеновского излучения.

Изобретение относится к области металлургии, к разработке новых нерадиоактивных материалов и может быть использовано в атомной энергетической промышленности для изготовления специального оборудования для влажного и сухого хранения отработанного ядерного топлива и его транспортировки. Сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе циркония содержит, вес.: ниобий 0,9-1,1; самарий 0,5-5,0; гафний 0,5-2,5; цирконий и примеси остальное. Сплав характеризуется высоким уровнем поглощения тепловых нейтронов при сохранении эксплуатационной надежности. 2 табл.

Наверх