Анализ общих свойств материалов при выборе их для ядерного реактора.

Механическая прочность, пластичность, вязкость и конструкционная прочность.

Механическая прочность представляет собой способность элементов конструкции выдерживать напряжения, обусловленные воздействием внешних или эксплуатационных нагрузок. В общем случае механическая прочность элементов конструкции должна обеспечиваться при любых условиях эксплуатации ядерного реактора. Мерой механической прочности конструкции являются напряжения, возникающие в ней под действием эксплуатационных нагрузок.

Пластичность характеризует способность, материла течь или испытывать постоянную деформацию перед окончательным разрушением при растяжении. Абсолютной меры пластичности нет, однако в качестве показателей пластичности обычно используют относительное удлинение и относительное сужение. Чем больше эти показатели, тем пластичнее материал. Пластичность-свойство, противоположное хрупкости, однако для большинства материалов ядерных реакторов резкой грани между ними нет [19].

Вязкость характеризует способность материала выдерживать без разрушения ударные нагрузки (механические или термические). Хотя ударность и не является абсолютной мерой, ее используют для оценки вязкости. Иногда под вязкостью понимают сочетание высокой механической прочности и большой пластичности материала.

Под конструкционной прочностью понимается механическая стабильность конструкции, например герметичность твэлов и целостность регулирующих стержней в ядерном реакторе. Узел или деталь в реакторе могут сохранить свою конструкционную прочность, если они обладают достаточной механической прочностью, пластичностью, вязкостью и механической стабильностью, чтобы выдержать жесткие условия работы.

Соединяемость, обрабатываемость и коррозионная стойкость. Соединяемость характеризует способность отдельных кусков материала соединяться друг с другом с помощью стандартных методов сборки, сварки, соединения заклепками и т.д. При изготовлении корпусов реакторов и твэлов характеристики соединяемости материалов корпусов и твэлов имеют первостепенное значение. Огромные противоаварийные оболочки реакторов приходится изготавливать в полевых условиях.

Обрабатываемость материала характеризует его способность изменять форму под действием таких механических операций, как резание, фрезерование, прокатка и ковка. Чем податливее металл, тем более тонкий листовой материал можно приготовить из него путем обработки давлением.

Конструкционные узлы реакторов можно изготавливать только из материалов, обладающих хорошей соединяемостью и обрабатываемостью.

При выборе материалов непременно должна приниматься во внимание коррозия, которой могут быть повреждены любые металлические конструкции, находящиеся в контакте с агрессивными жидкостями (жидкий или газообразный теплоноситель). Значение необходимой коррозионной стойкости зависит главным образом от условий эксплуатации. Непредсказуемое, резкое увеличение скорости коррозии нежелательно, и его следует избегать. Сварные соединения и механически обработанные участки корпусов реакторов, оболочек твэлов, систем трубопроводов и других элементов конструкций легированных реакторов относительно чувствительны к коррозии в водном теплоносителе.

На базе экспериментальных результатов и накопленного опыта можно установить следующие простые критерии коррозионной стойкости:

- сохранение чистоты поверхностей и жидкого теплоносителя;

- предотвращение отложений химических соединений на твердых поверхностях и отсутствие примесей в жидком теплоносителе;

- предотвращение образований течей в замкнутых системах, трубопроводах, каналах и т.д.

- защита сварных соединений и механически обработанных участков от коррозионного воздействия, как в статических, так и в динамических условиях;

- обеспечение необходимых механических, термических и других характеристик материала в течение всего срока службы, если коррозия неизбежна;

- снижение до минимума влияния облучения на скорость коррозии;

- исключение окисления твердых поверхностей во время облучения при высоких температурах. Интенсивное облучение и высокотемпературное окисление могут ускорить коррозию ядерного материала.

Способность к теплопередаче, термическая стабильность и совместимость материалов.Существует три основных способа передачи тепла: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение. Два первого играют главную роль при конструировании ядерного реактора и при выборе материалов. Поэтому коэффициенты теплопроводности, температуропроводности и теплопередачи путем конвекции тепла, характеризующие основные теплофизические свойства материала, также играют важную роль [19].

Тепло, которое генерируется в ядерном реакторе главным образом в топливе, необходимо эффективно отвести и использовать с помощью систем парогенераторов и турбогенераторов для получения электрической энергии. Процессы отвода и использования тепла с целью генерирования электроэнергии на АЭС требуют применения реакторных материалов с хорошей способностью к теплопередаче.

Термическая стабильность является важным свойством материалов, работающих при повышенных температурах. В большинстве механических случаев механическая прочность, конструкционная прочность и коррозионная стойкость материалов конструкций и трубопроводов понижается с повышением температуры [1]. Особенно сильно уменьшается теплопроводность оксидов урана и плутония при приближении к их точкам плавления, когда ядерный реактор работает на высоком уровне мощности. Кроме того, теплоноситель может испаряться с образованием сложного двухфазного потока, и сам становится нестабильным при высоких температурах. Таким образом, высокая термическая стабильность материалов существенна для безопасной работы ядерного реактора.

Все элементы и все компоненты в данной реакторной системе должны быть совместны друг с другом. Другими словами, материалы, согласованно функционировать должным образом. Например, в легко-водном реакторе материал корпуса пол давлением должен быть совместим с теплоносителем, а материал оболочки с материалами топлива и теплоносителя. Коррозионная стойкость материалов корпуса реактора и оболочек твэлов должна быть достаточно высокой, так чтобы конструкционные материалы и теплоноситель были совместимы и нормально функционировали в течение всего срока службы.

Доступность и стоимость.Доступность материалов и их стоимость являются основными экономическими характеристиками, которые следует учитывать при техническом проектировании и выборе материалов. Не имеет значения, что материал обладает желаемыми свойствами или подходит для инженерной конструкции, он должен быть коммерчески доступен и иметь, относительно низкую стоимость. Например, для осуществления управляемой термоядерной реакции необходимо изготовлять магниты из сверхпроводящего материала для того, чтобы поля могли удержать термоядерную плазму. Однако в настоящее время сверхпроводящие материалы (Nb₃Sn или NbTi) настолько дефицитны и их стоимость настолько высока, что обычная лаборатория по физике плазмы не может позволить использовать их.

При выборе материалов в процессе проектирования ядерного реактора на основании многих факторов необходимо найти компромиссное решение. Вероятно, конечной стадией проектирования и выбора материалов является экономическая оценка, в процессе которой рассматриваются главным образом доступность и стоимость [19].