ЗАМЕДЛИТЕЛЬ НЕЙТРОНОВ НА ОСНОВЕ ГИДРИДА ЦИРКОНИЯ Российский патент 2010 года по МПК G21C5/12 

Предлагаемое изобретение относится к материалам, используемым в качестве замедлителей нейтронов в ядерном реакторе.

Известны материалы на основе гидрида циркония, которые используются в качестве замедлителей нейтронов, а также для хранения и аккумуляции водорода.

Известен материал на основе гидрида циркония, содержащий в своем составе Мо, Та, Nb, Ni, В, Cu и др. [US №4216110, 1980].

Недостатком этого материала является невысокая коррозионная устойчивость в окислительной среде и большие потери водорода при высоких температурах.

Известен материал на основе гидрида циркония, содержащий в своем составе один или несколько элементов из группы: Ni, Be, Se и др. от 0,01 до 10% в сумме [US №216110, 1966], выбранный в качестве прототипа.

Однако недостатком этого материала является низкая коррозионная устойчивость в окислительной среде и большие потери водорода при высоких температурах.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание замедлителя нейтронов, содержащего в качестве основы гидрид циркония, который обладал бы более высокой коррозионной устойчивостью и максимально удерживал бы в своем составе водород при высоких температурах.

Для решения поставленной задачи в известный материал на основе гидрида циркония, содержащий алюминий, дополнительно введен никель при следующем соотношении компонентов, вес.%:

алюминий 0,1-0,3 никель 0,5-1,0 гидрид циркония Остальное

Основой заявляемого материала является гидрид циркония «δ» и «ε» фаз, содержащий 1,4-2,0% водорода.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими таблицами.

Для определения оптимального состава материала было выплавлено 27 сплавов циркония с различным содержанием алюминия и никеля (таблица 1).

Каждый сплав выплавляли отдельно в дуговой вакуумной печи с расходуемым электродом, который содержал указанное в таблице 1 количество легирующих добавок.

Для более равномерного распределения легирующих элементов применяли двойной переплав слитков. Полученные слитки прессовали отдельно друг от друга в медной оболочке при температуре 700°С в прутки диаметром 12 мм со степенью обжатия 98-99%. Прутки разрезали на заготовки и при температуре 900°С насыщали водородом до необходимого содержания 1,4-2,0% по отработанной методике.

Результаты испытаний на коррозию в окислительной атмосфере, проведенных при температуре 500-800°С продолжительностью от 500 до 2000 часов, приведены в табл.2 и 3.

Потери водорода в исследованных материалах в процессе испытаний, приведены в табл.3.

Полученные результаты показали, что наименьшие потери водорода при высоких температурах имеет гидрид циркония, содержащий 0,7% Ni и 0,1% Al.

Как видно из табл.2 и 3, величины коррозии и потери водорода заявляемого материала значительно меньше, чем те же величины известных гидридных материалов.

Оптимальная добавка никеля находится в пределах 0,5-1,0 вес.% и при уменьшении или увеличении количества никеля коррозионные свойства материала ухудшаются. Наилучшие свойства заявляемый материал имеет при одновременном сочетании легирующих добавок алюминия и никеля: алюминия в пределах 0,1-0,3 вес.% и никеля в пределах 0,5-1,0 вес.%.

Технология выплавки, прессования и гидрирования предложенного материала не менялась по сравнению с используемой для известного материала.

Пример осуществления изобретения.

В дуговой вакуумной печи с расходуемым электродом выплавлен сплав циркония с 0,7 вес.% никеля и 0,2 вес.% алюминия диаметром 150 мм. После обдирки слитка до диаметра 130 мм его прессовали в прутки со степенью обжатия 95%. Прутки разрезали на заготовки, травили, загружали в автоклав и насыщали водородом по стандартной методике гидрирования до содержания водорода 1,85 вес.%. После гидрирования образцы испытывали на коррозию в окислительной среде и на потерю водорода при температуре 700°С. В результате испытаний сплав с указанным содержанием легирующих добавок показал наилучшие результаты.

Таблица 1. Содержание алюминия и никеля в выплавленных сплавах циркония Содержание никеля, % 0 0,2 0,3 0,4 0,5 0,7 1,0 2,6 Содержание алюминия, % 0 X           X X 0,1 X     X X X     0,2   X X   X X     0,3   X       X X   0,5 X   X       X   1,0 X     X       X 1,9 X           X  

Таблица 2. Коррозия образцов легированного гидрида циркония за время испытаний 500 час №№ пп Содержание легирующих элементов, вес.% Коррозия образцов в мг/см² при температуре, °С 700 750 1 Нелегиров. гидрид циркония 10,0 разруш. 2 0,1 Al 8,0 разруш. 3 0,5 Al разруш. разруш. 4 1,0 Al разруш. разруш. 5 1,9 Al разруш. разруш. 6 0,2 Ni-0,5 Al -7,0 разруш. 7 0,2 Ni-0,3 Al -5,5 разруш. 8 0,3 Ni-0,2 Al -2,0 разруш. 9 0,3 Ni-0,5 Al -2,0 разруш. 10 0,4 Ni-0,1 Al 8,5 18,0 11 0,4 Ni-1,0 Al 10,0 разруш. 12 0,5 Ni-0,1 Al 6,5 8,5 13 0,5 Ni-0,2 Al 6,0 8,0 14 0,7 Ni-0,1 Al 4,8 7,0 15 0,7 Ni-0,2 Al 4,2 6,0 16 0,7 Ni-0,3 Al 5,0 7,5 17 1,0 Ni 8,5 разруш. 18 1,0 Ni-0,3 Al 8,0 12,5 19 1,0 Ni-0,5 Fe 10,0 разруш. 20 1,0 Ni-1,9 Al 16,5 разруш. 21 2,6 Ni 10, разруш. 22 2,6 Ni-1,0 Al разруш. разруш. 23 0,7 Ni-0,7 Fe -7,0 разруш. 24 0,5 Cu-0,2 Al -10,0 разруш. 25 0,1 Cu-0,3 Al разруш. разруш. 26 1,0 Fe разруш. - 27 1,0 Cr-1,0 Fe разруш. -

Таблица 3. Количество водорода, теряемое образцами гидрида циркония во время коррозионных испытаний в окислительной атмосфере при 700°С. Содержание легирующих добавок, вес % 0,7 Ni-0,1 Al Нелегированный гидрид 0,7 Ni-0,7 Fe 0,7 Cu-0,7 Mo 2,0 Cu Время испытаний, час 500 1000 2000 500 1000 2000 500 1000 2000 500 1000 2000 500 1000 2000 Потери водорода, % 0 1,5 2,8 0,3 2,4 4,5 1,5 4,5 - 2,6 3,2 5,2 0,4 1,9 6,2

Предлагаемое изобретение относится к материалам, используемым в качестве замедлителей нейтронов в ядерном реакторе. Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание замедлителя нейтронов, содержащего в качестве основы гидрид циркония, который обладал бы более высокой коррозионной устойчивостью и максимально удерживал бы в своем составе водород при высоких температурах.

Для решения поставленной задачи в известный материал на основе гидрида циркония, содержащий алюминий, дополнительно введен никель при следующем соотношении компонентов, вес.%:

алюминий 0,1-0,3 никель 0,5-1,0 гидрид циркония остальное.

3 табл.

Замедлитель нейтронов на основе гидрида циркония, содержащий алюминий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит никель при следующем соотношении компонентов, вес.%:
алюминий 0,1-0,3 никель 0,5-1,0 гидрид циркония остальное