Структура и сопротивление разрушению циркониевых сплавов после высокотемпературного окисления

• Автор: Ли, Элина Валерьевна
• Шифр специальности: 05.16.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 131 с. : ил.

Содержание
Введение
1 Аналитический обзор литературы
1.1 Промышленные циркониевые сплавы для изделий активной зоны атомных реакторов
1.2 Охрупчивание циркониевых сплавов при высокотемпературном окислении (аварии типа ЬОСА)
1.2.1 Критерии безопасности для циркониевых сплавов в условиях проектных аварий.
1.2.2 Методы оценки состояния циркониевых сплавов в условиях аварий типа [.ОСА.
1.2.3 Структура и свойства циркониевых сплавов после высокотемпературного
окисления
1.2.3.1 Структурно-фазовые превращения при нагреве и охлаждении
1.2.3.2 Микроструктура сплавов
1.2.3.3 Перераспределение химических элементов
1.2.3.4 Механизмы разрушения сплавов циркония после высокотемпературного окисления
1.2.4 Влияние различных факторов на поведение циркониевых сплавов после высокотемпературного окисления
1.2.4.1 Влияние внешних факторов
1.2.4.2 Влияние химического состава и структуры сплавов
1.3 Заключение по литературному обзору и постановка задач исследования
2 Материал и методы исследования
2.1 Методика высокотемпературного окисления
2.2 Пробоподготовка
2.3 Методы исследования состояния сплавов после высокотемпературного окисления
2.3.1 Оптическая количественная металлография
2.3.2 Исследование структуры методом просвечивающей микроскопии
2.3.3 Определение состава фаз методом рентгеновской дифракции
2.3.4 Измерение содержания водорода и кислорода
2.3.5 Определение температур фазовых превращений
2.3.6 Измерение микротвердости
2.3.7 Механические испытания с измерением акустической эмиссии (АЭ)
2.3.8 Испытания па статическую трещиностойкость
2.3.9 Количественный анализ изломов

3 Структурно-фазовое состояние циркониевых сплавов после высокотемпературного
окисления
3.1 Кинетика окисления и структура
3.2 Влияние различных факторов на структуру и свойства циркониевых сплавов
3.2.1 Влияние содержания примесей
3.2.2 Влияние химического состава
3.2.3 Влияние условий окисления
3.3 Изменение температур фазовых превращений
3.4 Структура сплавов после высокотемпературного нагрева в вакууме
4 Разрушение после высокотемпературного окисления
4.1 Механизмы и кинетика
4.2 Строение изломов
4.3 Влияние структурных факторов на разрушение
5 Комплексная методика оценки состояния циркониевых сплавов после
высокотемпературного окисления
Выводы
Список использованных источников

Введение
Актуальность работы
Программой дальнейшего развития атомной энергетики России до 2020 г. поставлена задача повышения эффективности использования топлива, в частности в реакторах ВВЭР, с обеспечением среднего выгорания до 65 - 75 МВт-сут/кг урана и б - 7 летних кампаний, а в реакторах РБМК - до 40 МВт-сут/кг урана и 10-летних кампании, и с внедрением режимов маневрирования мощностью реакторов. Достижение этих параметров напрямую связано с необходимостью увеличения ресурсных характеристик циркониевых изделий. Поэтому сегодня ведутся активные работы по совершенствованию циркониевых сплавов для обеспечения комплекса свойств, гарантирующего безопасную работу циркониевых изделий в реакторе.
Атомные электростанции (АЭС) являются очень специфическими энергетическими объектами, поскольку в процессе работы в них накапливаются и удерживаются большие количества радиоактивных веществ. В случае выхода этих веществ за границы АЭС в количествах, превышающих допустимые нормы и пределы, может произойти радиационное поражение персонала и населения, а также загрязнение окружающей среды. Аварии на Три Майл-Айленд, США (1979 г.), на Чернобыльской АЭС, СССР (1986 г.) и на Фукусиме-1, Япония (2011 г.) показали, насколько серьезными могут быть эти угрозы.
Экспериментальные исследования поведения и свойств циркониевых сплавов в условиях проектных аварийных режимов необходимы для обоснования безопасности, лицензирования топлива ВВЭР и подтверждения его конкурентоспособности в мире.
Одной из самых опасных аварийных ситуаций являются аварии типа LOCA (Loss of Coolant Accident - Авария с потерей теплоносителя), так как высокотемпературные перегревы н окисление элементов ТВС, возникающие при этом в активной зоне атомных энергетических реакторов, приводят к их охрупчиванию, снижению характеристик пластичности и трещиностойкости. Для обеспечения достаточной остаточной пластичности оболочек ТВЭЛов, необходимой для сохранения их целостности при аварийном охлаждении и последующей выгрузке из активной зоны реактора, требуется выявление основных причин и степени охрупчивания и определение влияния различных факторов на структуру и свойства циркониевых сплавов при различных условиях высокотемпературного окисления. В условиях проводящейся в последние годы исследовательской программы по разработке новых модификаций циркониевых сплавов, важной и актуальной задачей является, в

Влияние времени окисления
Увеличение локальной глубины окисления ЛГО с 5 до 18 % с увеличением времени выдержки при испытаниях имитирующих LOCA в сплавах Zr-1 %Nb, Циркалой-4 и М5 приводит к снижению определяемой при комнатной температуре ударной вязкости с 3-4 Дж/см2 до 1 Дж/см2 [74]. Аналогичное увеличение ЛГО для необлученных оболочек из сплава Zr-1 % Nb снижает деформацию до разрушения при испытаниях на сжатие с 3 % до 1% (окисление при Т=1000-1100 °С) и с более чем 10% до 3% (при окислении при Т=1200 °С). На рисунке 12 показана зависимость ударной энергии от времени окисления при 1000 °С для образцов в состоянии поставки. Видно, что снижение ударной вязкости для М5 немного меньше, чем для Циркалоя-4 [74].
при ударных испытаниях по Шарли (Дж/мвд')
Поглощенная энергия
при ударі

Окисление при 1000 "С
0.20 0.15 0.10 -І 0.05 0.
*■ - -я-If А в состоянии
v поставки
^ -а- M5W в состоянии
v 'Ч поставки
2000 4000 €000 8000 10
Время (сек)
Рисунок 12 - Зависимость ударной энергии от времени окисления при 1000 °С для образцов
в состоянии поставки [74]
Увеличение длительности выдержки при окислении приводит к укрупнению зерна “ех-Р”-слоя, образующегося после охлаждения (рисунок 13) [58].