ХРОМИСТАЯ РАДИАЦИОННОСТОЙКАЯ СТАЛЬ ДЛЯ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ Российский патент 2009 года по МПК C22C33/02 C22C38/54 C22C38/32 B82B1/00 

Описание патента на изобретение RU2360993C1

Изобретение относится к металлургии, а именно к хромистой радиационностойкой стали, используемой для изготовления чехлов тепловыделяющих сборок (ТВС) ядерных реакторов на быстрых нейтронах, а также чехлов гильз системы управления и защиты нейтронных источников (СУЗ), оболочек тепловыделяющих элементов (твэлов) и других элементов конструкции активной зоны ядерного реактора.

Для обеспечения высоких экономических показателей (за счет повышения выгорания ядерного топлива в ТВС при безопасной эксплуатации реактора на быстрых нейтронах) к хромистым сталям, работающим в зоне реактора, предъявляются жесткие требования по радиационной стойкости, в том числе сопротивляемости формоизменению вследствие радиационного распухания, радиационной и термической ползучести и сохранению деформационной способности - стойкости к низкотемпературному радиационному охрупчиванию, которое проявляется в значительном повышении температуры хрупко-вязкого перехода.

Известна хромистая сталь марки F17 следующего состава (мас.%): углерод - 0,056; кремний - 0,35-0,5; марганец - 0,36; хром - 17,27; молибден - не более 0,02; азот - 0,17; железо - остальное [SEMINAIRE FRANCO-SOVIENIQUE SUR LES MATERIAUX DE GAINAGE AVANCES. MOSCOU du Septembre 1985 au Octobre, 1985. FRAGILISATION DUN ACIER FERRITIQUE A F 17% Cr IRRADIE DE 390 A 540°C DANS PFENIX. G.Allegraud, J.L.Boyer, R.Cauvin, A.Daniel, A.Grivaud].

Эта сталь была облучена повреждающей нейтронной дозой 62 сна (смещений на атом) в реакторе PFENIX в виде чехла тепловыделяющей сборки. Как показали радиационные испытания, недостатками этой стали являются низкая длительная прочность σ65010000=23 МПа и потеря пластичности с 20 до 2% в зоне максимального упрочнения при температуре облучения примерно 400°С. Кроме того, сталь проявила склонность к низкотемпературному, радиационному охрупчиванию - смещение температуры хрупко-вязкого перехода в область положительных температур составляет +250°С). Такие свойства стали не позволяют обеспечить безопасность при эксплуатации и транспортировке ТВС по технологическому тракту [SEMINAIRE SUR LES MATERIAUX DE GAINAGE NOUVEAUX. MOSCOU du 19/03/1983. ACIERS A STRUCTURE CUBIQUE CENTREE POUR LE GAINAGE OU LES TUBES EXAGONAUX. J.M.Dupouy, J.Laniesse, J.H.Sagot; SEMINAIRE FRANCO-SOVIENIQUE, MOSCOU, 15-22 Mars 1988. COMPORTEMENT MECANIQUE DES ACIERS FERRITIQUES - MARTENSITIQUES IRRADIES DANS PHENIX, INTRODUCTION A L'lRRADIATION ICONE. J.L.Seran].

Известна хромистая сталь марки 05Х12Н2М, которая разработана в России для чехлов ТВС реакторов на быстрых нейтронах [ТУ 14-1-2761-79). Эта сталь содержит, мас.%: углерод - 0,02-0,055; кремний - 0,10-0,20; марганец - 0,30-0,60; хром - 11,0-12,5; никель - 1,0-2,0; молибден - 0,6-1,0; сера - не более 0,015; фосфор - не более 0,015; азот - 0,01-0,02; железо - остальное.

Опыт эксплуатации реактора БН-600 с чехлами ТВС и чехлами гильз СУЗ из стали 05Х12 Н2М показал, что эта сталь обладает относительно высоким сопротивлением радиационному распуханию и что ее использование позволяет достичь выгорание топлива до 9,4% т.а. (повреждающая доза - 67,7 сна). Однако при этом чехлы ТВС из этой стали при таких выгораниях получили значительное формоизменение за счет радиационной и термической ползучести, которая обусловлена низкими значениями длительной прочности стали в исходном (необлученном) состоянии.

Наиболее близкой к заявляемой стали по составу ингредиентов и функциональному назначению является хромистая радиационностойкая сталь [патент РФ №2221894, МКИ 7 С22С 38/54]. Состав этой стали имеет следующие соотношение компонентов, мас.%: углерод - 0,09-0,15; кремний - 0,25-0,50; марганец - 0,20-1,0; хром - 11,0-13,50; никель - 0,05-0,30; молибден - 1,4-2,0; ванадий - 0,10-0,30; ниобий - 0,15-0,50; бор - 0,004-0,015; кальций - 0,001-0,05; железо - остальное.

Эта сталь обеспечивает надежную и безопасную эксплуатацию реакторов на быстрых нейтронах до достижения выгорания ядерного топлива в ТВС от 10 до 15% т.а. При этом также обеспечиваются увеличение длительности эксплуатации органов СУЗ от 260 до 700 эфф. сут за счет повышения сопротивления формоизменению изделий при сохранении высокого уровня прочностных и пластических свойств. Однако при температуре эксплуатации реактора выше 650°С, которая планируется при работе реакторов на быстрых нейтронах нового поколения, длительная прочность этой стали недостаточна.

Техническая задача изобретения состоит в обеспечении эксплуатационной надежности и безопасности реактора, а также в повышении ресурса работы изделий до повреждающих доз 130-180 сна и температурах эксплуатации 650-710°С.

Эта техническая задача достигается за счет применения заявляемой хромистой стали, с помощью которой достигается технический результат - повышение сопротивления формоизменению и хрупкому разрушению, а также высокого уровня прочностных свойств в условиях нейтронного облучения при эксплуатации изделий в активной зоне ядерного реактора.

Этот технический результат достигается тем, что в состав известной хромистой стали (содержащей углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, железо и сопутствующие примеси, в частности серу, фосфор, азот, ванадий, ниобий, кальций и бор) дополнительно введены наноразмерные оксиды иттрия при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод - 0,09-0,15; кремний - 0,25-0,50; марганец - 0,20-1,0; хром - 11,0-13,50; никель - 0,05-0,30; молибден - 1,4-2,0; ванадий - 0,10-0,30; ниобий - 0,15-0,50; бор - 0,004-0,015; кальций - 0,001-0,05; оксид иттрия - 0,1-0,3; железо - остальное.

Введение в сталь наноразмерных (не более 30-40 нм) равномерно распределенных в зернах стали оксидов иттрия в указанном выше соотношении обеспечивает повышение длительной прочности стали при высоких температурах без ухудшения ее радиационной стойкости, которая определяется составом матрицы стали.

Получение заявляемой стали проведено следующим образом. Методом центробежного распыления расплава в инертной атмосфере были получены мелкодисперсные, размером от 0,042 до 0,2 мм, порошки стали матричного состава. Полученный порошок смешали с порошком оксида иттрия, размер частиц которого находился в диапазоне 2-40 нм. Полученную смесь подвергли механическому легированию в атмосфере аргона в вибрационном аттриторе, а затем механически легированный порошок засыпали в стальную капсулу, которую герметизировали электронно-лучевой сваркой в высоком вакууме. Капсулу с порошком брикетировали на прессе при температуре 1100°С в компактную заготовку, которую после механической обработки выдавили горячей экструзией при Т=1100°С в пруток диаметром 20 мм. Пруток обточили и расточили в трубную заготовку, из которой изготовили оболочечные трубы и плоские образцы.

Образцы, вырезанные из этих изделий, подвергались испытаниям на длительную прочность. Испытания на жаропрочность плоских образцов проводились по ГОСТ 10145-8. «Металлы. Метод испытания на длительную прочность». Химический состав заявляемой и известной сталей приведен в таблице.

Таблица Компонент Содержание элементов, мас.% заявляемая сталь сталь-прототип углерод 0,11 0,09-0,15 кремний 0,28 0,25-0,50 марганец 0,23 0,20-1,0 сера 0,013 0,015 фосфор 0,02 0,022 хром 12,3 11,0-13,5 никель 0,12 0,05-0,30 молибден 1,8 1,4-2,0 ванадий 0,16 0,10-0,30 ниобий 0,46 0,15-0,50 бор 0,01 0,004-0,015 кальций 0,014 0,001-0,05 оксид иттрия 0,01-0,03 - железо и сопутствующие примеси остальное остальное

На фиг.1 представлена зависимость термической ползучести плоских образцов из стали-прототипа и заявляемой стали при температуре 650°С.

На фиг.2 представлена зависимость термической ползучести плоских образцов из стали-прототипа и заявляемой стали при температуре 700°С.

Из полученных результатов испытаний (см. фиг.1 и 2) следует, что длительная прочность заявляемой стали, примерно на два порядка превосходит длительную прочность стали-прототипа.

Таким образом, приведенные данные показывают, что использование предложенной стали обеспечивает значительное увеличение длительной прочности материала при температурах эксплуатации реактора 650-710°С.

Похожие патенты RU2360993C1

название год авторы номер документа
ХРОМИСТАЯ РАДИАЦИОННОСТОЙКАЯ СТАЛЬ ДЛЯ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ 2002
  • Медведева Е.А.
  • Бибилашвили Ю.К.
  • Медведев А.В.
  • Панюшкин А.К.
  • Крюков О.В.
  • Ошканов Н.Н.
  • Васильев Б.А.
  • Нестерова Н.В.
RU2221894C1
МАЛОАКТИВИРУЕМАЯ ЖАРОПРОЧНАЯ РАДИАЦИОННОСТОЙКАЯ СТАЛЬ 2013
  • Дуб Алексей Владимирович
  • Скоробогатых Владимир Николаевич
  • Дегтярев Александр Федорович
  • Орлов Александр Сергеевич
  • Ершов Николай Сергеевич
RU2515716C1
МАЛОАКТИВИРУЕМАЯ ЖАРОПРОЧНАЯ РАДИАЦИОННОСТОЙКАЯ СТАЛЬ 2001
  • Солонин М.И.
  • Иолтуховский А.Г.
  • Леонтьева-Смирнова М.В.
  • Бибилашвили Ю.К.
  • Голованов В.Н.
  • Кондратьев В.П.
  • Чернов В.М.
  • Шамардин В.К.
RU2211878C2
МАЛОАКТИВИРУЕМАЯ ЖАРОПРОЧНАЯ РАДИАЦИОННО СТОЙКАЯ СТАЛЬ 2007
  • Родин Виктор Никифорович
  • Сафонов Борис Владимирович
  • Чуканов Андрей Павлович
  • Агеев Валерий Семенович
  • Никитина Анастасия Андреевна
  • Леонтьева-Смирнова Мария Владимировна
RU2360992C1
ТВЭЛ РЕАКТОРА НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ (ВАРИАНТЫ) И ОБОЛОЧКА ДЛЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ 2003
  • Иолтуховский А.Г.
  • Леонтьева-Смирнова М.В.
  • Ватулин А.В.
  • Голованов В.Н.
  • Шамардин В.К.
  • Буланова Т.М.
  • Цвелев В.В.
  • Шкабура И.А.
  • Иванов Ю.А.
  • Форстман В.А.
RU2262753C2
БРИДИНГОВЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ТЕРМОЯДЕРНОГО РЕАКТОРА СИНТЕЗА 2004
  • Ватулин А.В.
  • Иолтуховский А.Г.
  • Леонтьева-Смирнова М.В.
  • Капышев В.К.
  • Коваленко В.Г.
  • Стребков Ю.С.
  • Чернов В.М.
RU2267173C1
ХЛАДОСТОЙКАЯ СТАЛЬ ДЛЯ УСТРОЙСТВ ХРАНЕНИЯ ОТРАБОТАВШИХ ЯДЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ 2022
  • Дегтярев Александр Фёдорович
  • Скоробогатых Владимир Николаевич
  • Муханов Евгений Львович
  • Дуб Алексей Владимирович
RU2804233C1
АУСТЕНИТНЫЙ ЖЕЛЕЗОХРОМОНИКЕЛЕВЫЙ СПЛАВ ДЛЯ ПРУЖИННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ АТОМНЫХ РЕАКТОРОВ 1997
  • Будылкин Н.И.
  • Миронова Е.Г.
  • Кондратьев В.П.
  • Миняйло Б.Ф.
  • Солонин М.И.
  • Бибилашвили Ю.К.
  • Ямников В.С.
RU2124065C1
МАЛОАКТИВИРУЕМАЯ РАДИАЦИОННО СТОЙКАЯ СТАЛЬ 1998
  • Горынин И.В.
  • Рыбин В.В.
  • Карзов Г.П.
  • Николаев В.А.
  • Курсевич И.П.
  • Лапин А.Н.
  • Филимонов Г.Н.
  • Бережко Б.И.
RU2135623C1
ТЕПЛОСТОЙКАЯ И РАДИАЦИОННОСТОЙКАЯ СТАЛЬ 2021
  • Марков Сергей Иванович
  • Баликоев Алан Георгиевич
  • Толстых Дмитрий Сергеевич
  • Иванов Иван Алексеевич
  • Дуб Владимир Семенович
  • Тахиров Асиф Ашур-Оглы
  • Петин Михаил Михайлович
  • Тохтамышев Аллен Николаевич
RU2773227C1

Реферат патента 2009 года ХРОМИСТАЯ РАДИАЦИОННОСТОЙКАЯ СТАЛЬ ДЛЯ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ

Изобретение относится к металлургии, а именно к хромистой радиационностойкой стали, используемой для изготовления чехлов тепловыделяющих сборок (ТВС) ядерных реакторов на быстрых нейтронах, а также чехлов гильз системы управления и защиты нейтронных источников (СУЗ), оболочек тепловыделяющих элементов (твэлов) и других элементов конструкции активной зоны ядерного реактора. Сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий, ниобий, кальций, бор, равномерно распределенный в зернах наноразмерный оксид иттрия, железо и сопутствующие примеси при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,09-0,15, кремний 0,25-0,50, марганец 0,20-1,0, хром 11,0-13,5, никель 0,05-0,3, молибден 1,4-2,0, ванадий 0,10-0,30, ниобий 0,15-0,50, бор 0,004-0,015, кальций 0,001-0,05, оксид иттрия 0,1-0,3, железо и сопутствующие примеси - остальное. Повышается эксплуатационная надежность и безопасность реактора за счет повышения ресурса работы изделий до повреждающих доз 130-180 сна и температурах эксплуатации 650-710°С. 2 ил., 1 табл.

Формула изобретения RU 2 360 993 C1

Хромистая радиационностойкая сталь для ядерных реакторов на быстрых нейтронах, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий, ниобий, кальций, бор, железо и сопутствующие примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит равномерно распределенный в зернах наноразмерный оксид иттрия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод 0,09-0,15 кремний 0,25-0,50 марганец 0,20-1,0 хром 11,0-13,5 никель 0,05-0,3 молибден 1,4-2,0 ванадий 0,10-0,30 ниобий 0,15-0,50 бор 0,004-0,015 кальций 0,001-0,05 оксид иттрия 0,1-0,3 железо и сопутствующие примеси остальное

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2009 года RU2360993C1

ХРОМИСТАЯ РАДИАЦИОННОСТОЙКАЯ СТАЛЬ ДЛЯ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ 2002
  • Медведева Е.А.
  • Бибилашвили Ю.К.
  • Медведев А.В.
  • Панюшкин А.К.
  • Крюков О.В.
  • Ошканов Н.Н.
  • Васильев Б.А.
  • Нестерова Н.В.
RU2221894C1
МАЛОАКТИВИРУЕМАЯ ЖАРОПРОЧНАЯ РАДИАЦИОННОСТОЙКАЯ СТАЛЬ 2001
  • Солонин М.И.
  • Иолтуховский А.Г.
  • Леонтьева-Смирнова М.В.
  • Бибилашвили Ю.К.
  • Голованов В.Н.
  • Кондратьев В.П.
  • Чернов В.М.
  • Шамардин В.К.
RU2211878C2
АУСТЕНИТНАЯ СТАЛЬ 1994
  • Митрофанова Н.М.
  • Боголепов М.Г.
  • Решетников Ф.Г.
  • Бибилашвили Ю.К.
  • Топилина Т.А.
  • Житков Н.К.
  • Воеводин В.Н.
  • Казеннов Ю.И.
  • Захаркин В.М.
RU2068022C1
ТВЭЛ РЕАКТОРА НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ (ВАРИАНТЫ) И ОБОЛОЧКА ДЛЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ 2003
  • Иолтуховский А.Г.
  • Леонтьева-Смирнова М.В.
  • Ватулин А.В.
  • Голованов В.Н.
  • Шамардин В.К.
  • Буланова Т.М.
  • Цвелев В.В.
  • Шкабура И.А.
  • Иванов Ю.А.
  • Форстман В.А.
RU2262753C2
Печь-кухня, могущая работать, как самостоятельно, так и в комбинации с разного рода нагревательными приборами 1921
  • Богач В.И.
SU10A1
Топка с несколькими решетками для твердого топлива 1918
  • Арбатский И.В.
SU8A1
Печь для непрерывного получения сернистого натрия 1921
  • Настюков А.М.
  • Настюков К.И.
SU1A1
Способ крашения тканей 1922
  • Костин И.Д.
SU62A1

RU 2 360 993 C1

Авторы

Родин Виктор Никифорович

Сафонов Борис Владимирович

Чуканов Андрей Павлович

Агеев Валерий Семенович

Никитина Анастасия Андреевна

Даты

2009-07-10Публикация

2007-12-17Подача