Радиационная стойкость негерметичных поглощающих элементов с карбидом бора в водо-водяных ядерных реакторах

Карбид бора широко применяется в качестве поглощающего материала в органах регулирования атомных реакторах, что обусловлено высокой исходной физической эффективностью и возможностью ее повышения за счет обогащения по изотопу ¹⁰В, поглощением нейтронов в широкой области энергий, высокой химической стабильностью и температурой плавления (2450 ^оС), низкой стоимостью и большими запасами сырья. Вместе с тем, низкая радиационная стойкость из-за протекания (n, a ) - реакции с накоплением большого количества гелия в поглощающем сердечнике и возникающее при этом давление под оболочкой, ограничивают срок эксплуатации органов регулирования. Для снижения избыточного давления в герметичных конструкциях органов регулирования реакторов на тепловых нейтронах с водяным теплоносителем применяют газосборники [1]. Но как показали исследования поведения герметичных поглощающих элементов с карбидом бора с газосборниками в аварийных ситуациях, связанных с перегревом выше 600 ^оС, даже сравнительно небольшое выгорание изотопа ¹⁰B (~ 3%) может привести к деформации и разрушению оболочки.

Одно из перспективных направлений работ по увеличению ресурса и надежности эксплуатации органов регулирования с карбидом бора для тепловых ядерных реакторов с водяным теплоносителем – создание негерметичных конструкций, широко используемых в ядерных реакторах на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем [2]. Принципиальная возможность создания таких конструкций для пэлов реакторов ВВЭР-1000 показана в настоящей работе.

Исследуемые материалы

Предметом исследований были образцы, выполненные в виде макетов поглощающих элементов (пэлов) реактора ВВЭР-1000. Макеты пэлов представляют собой цилиндрическую оболочку из никелевого сплава ЭП-630У (диаметр 8,2 мм, толщина стенки 0,465 мм), заполненную порошком или таблетками B4C и загерметизированную концевыми деталями. Высота поглощающего сердечника, как и газосборника, составляет 30 мм, всего макета 88 мм. Между поглощающим сердечником и газосборником находится вкладыш из никелевой сетки для фиксации поглощающего сердечника и свободного выхода газа. Макеты имели негерметичности в оболочке, представляющие продольную щель длиной 15 мм и шириной до 2 мм, непровар в сварном шве площадью 1мм2 (рис. 1).

Реакторные испытания макетов пэлов проводили в реакторе СМ. Параметры реакторных испытаний представлены в табл.1. Макеты размещали в облучательное устройство, представляющее сборку сепараторного типа из шести периферийных трубок с макетами поглощающих

«-----------------------—---------------------->

а

б

в

Рис. 1. Конструкция макетов пэлов с порошком карбида бора: 1,6– концевые детали; 2 – оболочка; 3 – поглощающий сердечник; 4 – никелевая сетка; 5 – газосборник; 7, 8 – узлы негерметичности

Таблица 1. Параметры реакторных испытаний негерметичных макетов пэлов

Эффективное время облучения 101 - 158 сут Температура воды - теплоносителя (290±20) оС Давление (14±1) МПа Скорость (1,7±0,3) м/с Флюенс нейтронов: Быстрых (E>0,1 МэВ) Тепловых (E<0,465 эВ) (1,?-3,1)^1021см-2 (0,6-1,0>1020 см-2 элементов и из центральной несущей трубки (рис. 2). Периферийные трубки фиксировали в верхней и нижней дисанционирующих решетках с помощью концевых деталей. Конструкция об-лучательного разборная, что позволяет периодически извлекать ее из реактора и после исследования макетов снова ставить их на облучение.

РЕЗУЛЬТАТЫ ПОСЛЕРЕАКТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

После реакторного облучения все макеты пэ- лов сохранили форму и целостность, повреждения в виде трещин, отложений, а также изгибы отсутствовали. Оболочка имела матовый цвет: в области поглощающего сердечника более темный, в области газосборника – светлый с резкой границей. Внешний вид негерметичных макетов не изменился после облучения. Увеличения диаметров макетов не произошло.

При разделке макета пэла с порошком карбида бора и исходным дефектом в виде продольной щели, облучавшегося до флюенса нейтронов 3,1 ^. 10²¹см^-2 (Е>0,1МэВ), наблюдался монолит-

а

б

в

Рис. 3. Внешний вид (а), рентгеновский снимок (б) и макроструктура (в) поперечного сечения макета с негерметичной оболочкой в районе поглощающего сердечника после облучения до флюенса 3,1·1021см-2(Е>0,1МэВ)

ный сердечник. При разделке макета с исходным дефектом в виде непровара в сварном шве, облучавшегося до флюенса нейтронов 1,72 ^. 10²¹см^-2 (Е>0,1МэВ), и дальнейшей подготовке шлифов порошковый сердечник полностью выкрошился.

Оболочки макетов имели мелкозернистую структуру, средний условный диаметр зерна составлял 0.017 мм, что соответствует баллу зерна 8-9.Следов взаимодействия между оболочкой из хромо-никелевого сплава ЭП 630У и карбидом бора не наблюдается. Оболочки макетов из сплава ЭП 630У имели высокие механические характеристики: при температуре 350°С общее и равномерное удлинение были равны и составляли 5 о = З р =10±2% и условный предел прочности составил п₀₂=630±40 МПа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований показана возможность создания конструкций пэлов для водо-водяных реакторов с узлами негерметичности в виде непровара в сварном шве или отверстий в оболочке различной формы. Непровар в сварном шве площадью до 1мм2 не приводит к снижению работоспособности поглощающего элемента и позволяет исключить деформацию макетов от повышенного газовыделения.

Возможность использования негерметичных конструкций имеет большое практическое значение, в том числе и при изготовлении пэл, т.к. приводит к исключению ряда технологических операций, что в целом снижает стоимость изготовления.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках федеральных целевых программ «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 - 2013 годы» и «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы»