АУСТЕНИТНАЯ СТАЛЬ Российский патент 1996 года по МПК C22C38/58 

Изобретение относится к атомной технике, а именно к конструкционным материалам для внутренних конструкций ядерного реактора, в частности для изготовления оболочек ТВЭЛов реакторов на быстрых нейтронах.

К материалам, работающим в активной зоне реактора на быстрых нейтронах, предъявляются жесткие требования по сопротивляемости распуханию, взаимодействию оболочки ТВЭЛа с продуктами деления топлива, охрупчиванию при длительном и интенсивном радиационном повреждении, коррозионной стойкости в натрии. В наибольшей степени этим требованиям для оболочек ТВЭЛ отвечают аустенитные хромоникелевые стали, которые для этих целей получили наибольшее распространение в ядерной технике.

Известна аустенитная хромоникелевая сталь для оболочек ТВЭЛов, позволяющая достичь выгорание 10% т. а. и повреждающие дозы до 75-80 смещений на атом (смотри Европейскую заявку N 0121630, кл. С 22 С 38/58, 1984).

Сталь имеет следующий состав, мас.

Хром 12,5-14,5;
никель 14,5-15,5;
молибден 1,5-2,5;
марганец 1,5-2,5;
титан 0,1-0,4;
углерод 0,02-0,08;
кремний 0,5-1,0;
азот ≅0,01;
фосфор 0,02-0,08
бор 0,002-0,008;
сера 0,004-0,010;
ниобий 0,02-0,05;
ванадий 0,01-0,05;
тантал 0,005-0,02;
алюминий 0,02-0,05;
медь 0,01-0,04;
кобальт 0,02-0,05;
мышьяк ≅0,03;
кислород ≅0,01;
цирконий ≅0,01;
отношение Ti/C + N 4-6; εP + B + S ≅ 0,03
железо остальное.

Недостатком стали является недостаточная сопротивляемость распуханию по критерию предельно допустимого формоизменения при повреждающих дозах свыше 90 смещений на атом, что не позволяет осуществить более глубокие выгорания топлива и повысить технико-экономические показатели реакторов на быстрых нейтронах.

Наиболее близкой к предлагаемой является аустенитная хромоникелевая сталь ЭП 172, полученная в России, для оболочек ТВЭЛов реакторов на быстрых нейтронах, состав которой приведен в технических условиях ТУ 14-1-3723-84, мас.

хром 15,0-16,5;
никель 14,5-16,0;
молибден 2,5-3,0
марганец 0,5-0,9;
ниобий 0,35-0,90;
бор 0,003-0,008;
углерод 0,05-0,09;
кремний 0,3-0,6;
азот 0,02-0,04;
фосфор не более 0,020;
сера не более 0,010;
алюминий не более 0,1;
церий расч. 0,15;
железо остальное.

Опыт эксплуатации реактора БН-600М с оболочками ТВЭЛов из стали ЭП 172 показал, что ее использование позволяет достичь выгорание до ≈ 11,5% т. а. (повреждающая доза ≈85 смещений на атом) без потери герметичности ТВЭЛа, но при этом оболочки имеют формоизменение больше предельно допустимого.

Целью изобретения является повышение сопротивляемости формоизменению (распуханию) в оболочках ТВЭЛов при выгораниях свыше 10,0-12% и повреждающих дозах свыше 80-90 смещений на атом.

Поставленная цель достигается тем, что в известную аустенитную хромоникелевую сталь (содержащую хром, никель, молибден, марганец, ниобий, бор, углерод, кремний, азот и церий), дополнительно введен титан и ванадий, регламентировано содержание фосфора и она содержит компоненты при следующем соотношении, мас.

хром 15,0-16,5;
никель 18,0-25,0;
молибден 1,5-2,5;
марганец 1,5-2,0;
титан 0,25-0,45;
ванадий 0,05-0,15;
ниобий 0,1-0,4;
бор 0,001-0,005;
углерод 0,05-0,09;
кремний 0,3-0,6;
азот ≅0,02;
фосфор 0,010-0,025;
сера ≅0,010;
алюминий ≅0,1;
церий 0,15 расч.

железо остальное,
при условии, что сумма бора и фосфора составляет не более 0,025, а отношение суммы титана, ванадия и ниобия к углероду составляет не более 8-13.

Сущность изобретения заключается в том, что найден химический состав стали, которая обладает высоким сопротивлением распуханию в условиях активной зоны реактора на быстрых нейтронах при сохранении на высоком уровне других ее характеристик.

Как показали микроструктурные исследования после изотермического старения и имитационных экспериментов по облучению тяжелыми ионами хрома, введение в сталь дополнительно двух карбидообразующих элементов титана и ванадия приводит к выделению мелкодисперсных малокоагулирующих карбидов МС, где М титан, ниобий, ванадий, которые закрепляют дислокации, возникающие при облучении, что способствует снижению распухания. При этом количество выделившихся избыточных фаз при старении и облучении меньше, что также уменьшает величину распухания. Это приводит к тому, что в твердом растворе находится большее количество атомов основных легирующих элементов, что также сдерживает распухание.

Отмеченное влияние комплексного легирования на свойства стали в максимальной мере проявляются в сочетании с повышением содержания никеля, марганца и снижением содержания молибдена.

Повышенное содержание никеля до 18,0-25,0% обеспечивает устойчивую аустенитную структуру и дает возможность в сочетании с комплексным легированием титаном, ванадием и ниобием повысить сопротивляемость распуханию при нейтронном облучении.

Повышенное содержание марганца до 1,5-2,0% мас. позволяет компенсировать отрицательное влияние бора и фосфора на технологичность стали и обеспечить высокие технологические свойства стали при обработке материала давлением и сварке.

Содержание молибдена в количестве 1,5-2,5% мас. уменьшает возможность образования фазы Лавеса, которая способствует в сложнолегированных сталях зарождению вакансионных пор и распуханию в активной зоне ядерного реактора. В таблице 1 приведены химические составы нескольких плавок предлагаемой стали. Для сравнения в таблице приведен состав известной стали ЭП 172 по техническим условиям ТУ 14-1-3723-84. В таблицах 2 и 3 приведены результаты по оценке сопротивления образованию горячих трещин у предлагаемой и известной сталей.

На фиг. 1 приведена температурная зависимость распухания предлагаемой стали и известной стали ЭП 172.

На фиг. 2 приведена зависимость распухания предлагаемой стали и известной стали ЭП 172 от дозы облучения.

На фиг. 3 приведены микроструктуры известной и предлагаемой сталей после старения в течение 1000 ч при 700 и 750^oC.

Пример конкретного выполнения. Методом вакуумно-индукционной плавки и последующим вакуумно-дуговым переплавом выплавлены составы известной и предлагаемой стали, химический состав которых приведен в таблице 1.

Изучение свойств предлагаемой стали проводилось на образцах, изготовленных из прутка и полосы, полученных путем многократной горячей и холодной деформаций из трубной заготовки 135 мм.

Облучение проводилось на ускорителе тяжелых ионов ЭСУВИ ионами хрома с энергией 4 МэВ в интервале температур 525-675^oC и повреждающих доз 5-150 сна.

Имитационные эксперименты показали, что предлагаемая сталь имеет большее сопротивление распуханию, чем известная сталь (фиг. 1,2).

Анализ полученных результатов по распуханию показывает, что следует ожидать, что при повреждающих дозах 100-120 сна оболочки ТВЭЛов из предлагаемой стали будут удовлетворять критерию предельно допустимого формоизменения, т. к. распухание при этих повреждающих дозах <1% Это позволит при применении предлагаемой стали повысить выгорание до ≥12% т. а. (повреждающие дозы 100-120 сна в условиях реактора БН).

Изучение фазового состава после старения и облучения показывает, что предлагаемая сталь имеет большую фазовую стабильность как после старения, так и после облучения (см. фиг. 3).

Результаты по оценке сопротивления образованию горячих трещин предлагаемой стали приведены в таблицах 2 и 3.

Видно, что по двум характеристикам свариваемости исследуемые плавки предлагаемой стали находятся на уровне известной стали.

Технико-экономическая эффективность использования изобретения для оболочек ТВЭЛов активных зон быстрых реакторов выражается в повышении выгорания топлива.

Повышение выгорания топлива в модернизированной активной зоне реактора БН-600 с 10 до 12,0% т.а. при применении в качестве материала оболочки предлагаемой стали в холоднодеформированном на 20% состоянии составит 1200 млн. руб. в год. ТТТ1 ТТТ2 ЫЫЫ2

Изобретение относится к аустенитной стали для оболочек ТВЭЛов реакторов на быстрых нейтронах и направлено на повышение сопротивляемости распуханию в оболочках ТВЭЛов при выгораниях выше 10,0-12,0% при сохранении на высоком уровне технологичности, фазовой и структурной стабильности и других характеристик. Аустенитная сталь дополнительно содержит титан и ванадий при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,05-0,09, хром 15,0-16,5, никель 18,0-25,0, молибден 1,5-2,5, марганец 1,5-2, титан 0,25-0,45, ванадий 0,05-0,015, ниобий 0,1-0,4, бор 0,001-0,005, кремний 0,3-0,6, церий 0,15 расчетное, фосфор 0,01-0,025, железо - остальное, причем сумма бора и фосфора составляет не более 0,025, отношение суммы титана, ванадия и ниобия к углероду составляет 8-13. 3 табл., 3 ил.

Аустенитная сталь, содержащая углерод, хром, никель, молибден, марганец, ниобий, бор, кремний, церий, фосфор, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит титан и ванадий при следующем соотношении компонентов, мас.

Углерод 0,05 0,09
Хром 15,0 16,5
Никель 18 25
Молибден 1,5 2,5
Марганец 1,5 2,0
Ниобий 0,1 0,4
Бор 0,001 0,005
Кремний 0,3 0,6
Церий 0,15 расчетное
Фосфор 0,01 0,025
Титан 0,25 0,45
Ванадий 0,05 0,015
Железо Остальное
при условии, что сумма бора и фосфора не более 0,025, отношение суммы титана, ванадия и ниобия к углероду составляет 8 13.