СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗМЕНЕНИЙ КРАТКОВРЕМЕННЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОБОЛОЧЕК ТВЭЛОВ ИЗ ФЕРРИТНО-МАРТЕНСИТНОЙ СТАЛИ Российский патент 2008 года по МПК G01N27/20 

Предлагаемое изобретение относится к исследованиям качества элементов активной зоны, изготовленных из ферритно-мартенситной стали, после их эксплуатации в ядерном реакторе на быстрых нейтронах.

Известно, что ядерные реакторы имеют высокую теплонапряженность активной зоны. Это определяется высокой концентрацией энергии в ядерном топливе и большим количеством выделяемой энергии. При полном делении 1 кг ²³⁵U высвобождается энергия, равная 8·10¹³ Дж, в то время как при сгорании 1 кг органического топлива выделяется энергия порядка (3÷5)·10⁷ Дж. Тепловые потоки на теплоотдающих поверхностях в реакторах составляют ˜10⁶ Вт/м², а объемное тепловыделение в топливе ˜10⁹ Вт/м³, в то время как значения аналогичных характеристик в любых других источниках тепла на несколько порядков меньше [Конструирование ядерных реакторов: Учеб. пособие для вузов/ И.Я.Емельянов, В.И.Михан, В.И.Солонин: Под общ. редакцией акад. И.А.Доллежаля. - М.: Энергоиздат, 1982]. Из-за высоких тепловыделений и тепловых потоков в конструкциях внутри реакторов возникают большие температурные перепады, которые могут изменяться при изменении режимов работы. Поэтому для надежной работы реактора в течение запланированного срока важен правильный выбор материалов с учетом изменения их свойств под действием облучения, т.е. материалы должны сохранять пластичность не ниже допустимых пределов, а деформация отдельных элементов не должна превышать заданных ограничений.

Основным элементом активной зоны (АЗ) реактора на быстрых нейтронах (РБН) является тепловыделяющая сборка (ТВС), содержащая стержневые тепловыделяющие элементы (твэлы), представляющие собой цилиндрические герметичные трубки диаметром ˜7 мм (с толщиной стенки 0,3÷0,5 мм), заполненные ядерным топливом. Экономические показатели атомных реакторов во многом определяются работоспособностью ТВС, то есть максимальным выгоранием тяжелых атомов при минимальном количестве разгерметизировавшихся твэлов. В качестве основных конструкционных материалов ТВС и твэлов в РБН являются нержавеющие хромо-никелевые стали аустенитного класса (типа Х16Н15) и нержавеющие хромистые стали ферритно-мартенситного класса (типа 1Х13М2).

Термоустойчивые комплексно-легированные стали ферритно-мартенситного класса с 12÷13% хрома привлекательны для использования в ядерных реакторах своей хорошей устойчивостью к распуханию под облучением и малой скоростью ползучести. Однако в процессе длительных выдержек в диапазоне рабочих температур ядерного реактора в этих сталях возможно выделение и коагуляция вторичных фаз, приводящее к обеднению матрицы легирующими элементами, что изменяет физико-механические свойства (ФМС). При этом могут происходить нарушения размерной стабильности внутриреакторных элементов, уменьшение прочностных и пластических свойств. Расчеты надежности элементов АЭС основываются на достоверных результатах определения ФМС материалов после реакторного облучения. Степень изменений ФМС учитывается при проведении проверочных расчетов напряженно-деформированного состояния внутриреакторных конструкций, при оценке состояния элементов конструкций АЗ как в процессе штатной эксплуатации реакторов, так и при прогнозировании их срока безопасного ресурса [ПНАЭ Г-7-002-86 Нормы расчета на прочность оборудования трубопроводов атомных энергетических установок. / Госатомнадзор СССР. - М.: Энергоатомиздат, 1989].

Известны многочисленные способы испытания металлов, которые производятся по различным методикам и на различном оборудовании [Механические испытания и свойства металлов. Золоторевский B.C. - M.: Металлургия, 1974].

Известен способ определения кратковременных механических свойств оболочек облученных твэлов при растяжения кольцевых образцов высотой ˜3 мм на внутрикамерных дистанционных разрывных машинах (Оболочки облученных и необлученных твэлов. Методы испытания материалов. ОСТ 95-992-83). Полученные значения σ усредняют по результатам испытаний трех колец, взятых из одного участка облученного твэла. Усредненные данные прочностных характеристик сравнивают с прочностными характеристиками участка твэла, находившегося вне АЗ реактора - σ_o по выражению: Δσ=σ-σ_o.

Недостатком указанного выше способа является большая трудоемкость проведения испытаний при ограниченном количестве образцов. После эксплуатации в ядерном реакторе оболочка твэла становится мощным источником ионизирующих излучений, поэтому такие испытания проводят в защитных камерах. Подготовка кольцевых образцов, удаление из них ядерного топлива и собственно испытания проводятся дистанционно, с помощью манипуляторов и дополнительных приспособлений, что является специфическим и длительным по времени трудом. Практически невозможно определить свойства материала твэла непрерывно по всей длине, для этого бы потребовалось изготовить несколько сотен образцов, поэтому используют ограниченное число образцов, взятых из нескольких участков твэла.

Задачей изобретения является уменьшение трудоемкости проведения испытаний и экспресс-оценка изменений кратковременных механических свойств материала твэла по его длине неразрушающим методом.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что осуществляют дискретно по длине твела измерение электросопротивления материала его оболочки, затем по результатам полученных измерений рассчитывают изменение пределов текучести и прочности материала по соотношению:

где Δσ - относительное изменение прочностной характеристики;

R_i - текущее значение электросопротивления;

R_o - исходное значение электросопротивления;

а - экспериментальные константы:1,8 - для предела текучести; 2,6 - для предела прочности;b - экспериментальные константы:5,5 - для предела текучести; 12,9 - для предела прочности.

Из литературных данных известно, что в модельной стали ферритно-мартенситного класса при старении в различных диапазонах температур наблюдаются существенные и неоднозначные изменения механических и физических свойств, в том числе прочности и электросопротивления [Паршин А.М. Структура, прочность и радиационная повреждаемость коррозионно-стабильных сталей и сплавов. Челябинск, Металлургия, 1988]. Если установить, что для сталей ферритно-мартенситного класса после облучения в ядерном реакторе существует корреляция между изменениями прочностных характеристик и удельного электросопротивления материала и существует конкретная математическая зависимость между этими величинами, то, используя данные по изменению электросопротивления, можно наиболее просто оценить изменение прочности материала.

Указанный способ находится в рамках способа определения электросопротивления металлического проводника с помощью потенциометра [Васильев С.Е. Справочник по наладке электроустановок и электроавтоматики. Киев: Наукова думка, 1972].

В измерительном устройстве имеются четыре электрода. С помощью двух из них (токоподводящих) к контролируемому твэлу подводится ток, а два электрода - измерительные (потенциальный датчик), с их помощью измеряют разность потенциалов на заданных участках твэла. Контролируемый твэл 4 помещается в токоподводящих зажимах источника питания 1, потенциальный датчик 5 перемещается вдоль образующей твэла с определенным шагом с остановками для измерения, фиг.1. В качестве эталонного сопротивления 2 используется безреактивная катушка типа Р-310 с величиной сопротивления, близкой к измеряемому.

Работа электропотенциальных приборов основана на прямом пропускании тока через контролируемый участок и измерении разности потенциалов на этом участке. Два сравниваемых сопротивления R_N и R_X включаются последовательно с источником питания. Определяются разности потенциалов на эталонном сопротивлении R_N и измеряемом сопротивлении R_X. Падения напряжения на сопротивлениях U_N и U_X удовлетворяют соотношению:

Зная величину R_N и измеряя падения напряжения U_N и U_x, вычисляется R_X:

Величиной, характеризующей электрические свойства материала, является его удельное электросопротивление - ρ. Оно определяется природой проводника и не зависит от формы и размеров. Как известно, ρ может быть определено после измерения сопротивления R по формуле:

где l - расстояние между измерительными электродами;

S - площадь поперечного сечения оболочки твэла.

Для одних и тех же фрагментов образцов конструкционных элементов из стали ферритно-мартенситного класса экспериментально определили удельное электросопротивление материала и прочностные свойства. Соотношение, связывающее изменение электросопротивления ΔR/R_o с изменением предела текучести Δσт/σ_о, имеет вид:

а соотношение, связывающее изменение электросопротивления ·ΔR/R_o с изменением предела прочности Δσв/σв_о:

где σт_о, σв_о - некоторые начальные значения предела текучести и предела прочности материала, являющие минимальными из полученной выборки;

R_o - начальное значение электросопротивления материала, соответствующее начальным значениям предела текучести и предела прочности материала;

Δσт и Δσв - текущие изменения значений предела текучести и предела прочности материала и соответствующие им изменения электросопротивления ΔR.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

- Исследуемый твэл закрепляется в токовые захваты измерительного устройства, фиг.1;

- производится последовательное перемещение измерительного датчика вдоль твэла и измерение электросопротивления этих участков твэла;

- для проведения сравнительной оценки результаты измерений различных участков преобразуются в относительные величины по формуле:

где R_i - текущее значение электросопротивления, Ом;

R_o - исходное значение электросопротивления, например, значение электросопротивления материала твэла в необлученном состоянии с известными прочностными свойствами;

- используя соотношение (1), рассчитываются относительные изменения прочностных характеристик Δσ.

Заявлемый способ характеризуется значительно меньшей трудоемкостью проведения работ. График относительного изменения электросопротивления наглядно отражает степень изменения прочностных свойств материала по длине всего твэла и при необходимости позволяет подготовить образцы для дальнейших исследований из требуемых участков.

Пример реализации способа.

Экспериментально при послереакторных исследованиях было изучено изменение электросопротивления и кратковременных механических свойства образцов оболочки твэлов из ферритно-мартенситной стали, фиг.2. Было установлено, что при уменьшении прочностных характеристик происходит увеличение электросопротивления. Пороговое снижение предела текучести материала, при котором наблюдается увеличение электросопротивления, составляет ˜5%, предела прочности ˜10÷15%. При снижении предела текучести до 20%, а предела прочности до 35% происходит увеличение электросопротивления до 8%. Линейные зависимостями ΔR/R_σ=f(Δσ/σ_o) с достоверностью апроксимации 0,7÷0,8 вполне достаточны для проведения экспресс-оценки относительных изменений прочностных характеристик материала оболочки по длине твэла.

Экспериментальные результаты работы по экспресс-оценке кратковременных прочностных характеристик стенок отработавших тепловыделяющих элементов и чехлов ТВС из ферритно-мартенситной стали могут использоваться на предприятиях отрасли (в НИИ и на АЭС) в работах по обоснованию надежности активных зон ядерных энергетических реакторов.

Изобретение относится к испытательной технике. Сущность: осуществляют дискретно по длине твэла измерение электросопротивления материала его оболочки. По результатам полученных измерений рассчитывают относительные изменения пределов текучести и прочности материала по соотношению. Технический результат: снижение трудоемкости проведения испытаний. 2 ил.

Способ определения изменений кратковременных механических свойств оболочек твэлов из ферритно-мартенситной стали, отличающийся тем, что осуществляют дискретно по длине твэла измерение электросопротивления материала его оболочки, затем по результатам полученных измерений рассчитывают относительные изменения пределов текучести и прочности материала по соотношению

где Δσ - относительное изменение прочностной характеристики;

R_i - текущее значение электросопротивления;

R_o - исходное значение электросопротивления;

а - экспериментальные константы: 1,8 - для предела текучести;

2,6 - для предела прочности;

b - экспериментальные константы: 5,5 - для предела текучести;

12,9 - для предела прочности.