Конструкционные материалы, упрочненные оксидами для элементов активных зон перспективных ядерных реакторов

Одним из важнейших направлений достижения конкурентной способности действующих и разрабатываемых реакторов на быстрых нейтронах является достижение выгорания ~ 18-20% т.а. Одной из главных проблем является обеспечение радиационной стойкости материала оболочки при повышенных характеристиках жаропрочности.

Эта проблема решается при использовании нового класса феррито-мартенситных радиационно-стойких сталей, упрочненных частицами оксидов нанометрового размера (ДУО-сталь).

Разработанная в «Бочваровском институте» технология получения ДУО-стали включает: получение гомогенных быстрозакаленных порошков со сферической и чешуйчатой формой методом центробежного распыления расплава (рис. 2), твердофазного легирования матричного материала нанодисперсными оксидами иттрия в высокоэнергетическом аттриторе, компактирование порошков и термомеханическая обработка изделия для создания в матрице стали выделений оксидов иттрия нанометрового масштаба (рис. 3).

Рис.2. Сферические, диаметром 40-200 мкм (а) и чешуйчатые, толщина 1-5 мкм (б) порошки феррито-мартенситной стали.

Электронно-микроскопические исследования компактированного методом горячей экструзии образца стали ЭП450 ДУО показали, что сталь имеет ферритную структуру с вытянутыми областями вдоль направления экструзии, состоящими из крупных (30-50 мкм) и мелких (0,5-2 мкм) зерен. Оксиды иттрия расположены, в основном в теле зерна. Размер оксидов внутри зерен составляют 5-10 нм (рис.3).

Рис.3. Нано- и макро структура ДУО-стали.

Наноструктурированная ДУО-сталь сохраняет достаточно высокое остаточное удлинение после обработки со степенями деформации до 60%.

В опытно-промышленных условиях были изготовлены изделия (трубы, пластины), дореакторные испытания которых показали многократное, до 8 раз, увеличение параметровк жаропрочности по сравнению со штатной сталью (см. таблицу), начато опробование технологии в заводских условиях.

Другой путь непосредственной экономии ресурсов в области производства электроэнергии — это разработка наноструктурированных материалов, обладающих повышенными прочностью, радиационной износоустойчивостью. Специалистами «Курчатовского института» разрабатываются инновационные материалы для корпусов энергетических реакторов перспективных блоков АЭС-2006. Экономический эффект от внедрения указанной технологии будет заключаться в двукратном повышении проектного срока службы атомных реакторов, что при существующих планах эквивалентно строительству до 30 энергоблоков АЭС.