СПОСОБ ЗАЩИТЫ ВНУТРИРЕАКТОРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ОТ РАЗРУШЕНИЯ Российский патент 2011 года по МПК G21C21/00 

Изобретение относится к атомной энергетике, а именно к технологическим способам защиты элементов активной зоны ядерных реакторов канального и корпусного типа от разрушения, и может быть использовано для подавления дебриз-эффекта, фреттинг и локальной коррозии тепловыделяющих элементов (твэл), тепловыделяющих сборок (ТВС), включая дистанционирующие решетки (ДР), технологических каналов (ТК), включая переходные соединения разнородных металлов (переходники).

Способ относится к технологии защиты элементов активной зоны ядерных реакторов канального и корпусного типа от разрушения в результате коррозии и механического истирания путем нанесения защитных покрытий. Прежде всего, для повышения работоспособности тепловыделяющих элементов, технологических каналов, тепловыделяющих сборок.

Тепловыделяющие элементы активной зоны большинства российских ядерных реакторов выполнены из сплавов циркония с ~1% ниобия (на зарубежных реакторах - из циркалоя). Помимо сплавов циркония используются сплавы алюминия, титана и стали. В основном это достаточно пластичные имеющие низкую твердость материалы. Твэлы объединяются в тепловыделяющие сборки с помощью дистанционирующих решеток из стали или сплава циркония. При эксплуатации ТВС различные механические загрязнения теплоносителя, а также дисперсные частицы продуктов коррозии, более твердые, чем основной металл, механически воздействуют на поверхность твэла (твэлов), в результате чего нарушается защитная окисная пленка, интенсифицируются коррозионные процессы, а также происходит чисто механический износ тонкой оболочки твэла - дебриз-эффект.

Сокращение примесей крупных частиц достигается установкой сетчатых фильтров (Strasser A. Experiments, Mechanisms and Management. 26-29 May 1992, Dimitrovgrad, Russia), однако известные способы не могут полностью исключить дебриз-эффект, вызванный механическим взаимодействием твердых частиц из теплоносителя и оболочек твэлов.

При эксплуатации сборок могут происходить некоторые деформационные процессы в местах контакта твэлов в местах крепления, прежде всего в дистанционирующих решетках. Под воздействием потока теплоносителя происходит вибрация твэлов, в результате чего реализуется фреттинг-коррозия (Смирнов А.В. Марков Д.В. Поленок B.C. и др. Исследование причин разгерметизации штатных твэлов ВВЭР и РБМК. Научно-технический семинар "Модернизация, совершенствование и повышение эксплуатационной надежности ядерного топлива РБМК" с.39-48. 25-27 октября 2000 г., г.Электросталь).

Помимо этого, в канальных реакторах типа РБМК, в которых не подавлен радиолиз теплоносителя, под воздействием образующихся окислителей протекают процессы локальной коррозии как твэлов, так и технологических каналов (ТК). Образующиеся окислы циркония совместно с продуктами коррозии стальных конструкций циркуляционного контура, проходя через активную зону, приводят к механическому истиранию защитного окисного слоя на поверхности твэлов.

Решением является защита поверхностей, прежде всего оболочек твэлов, от истирания под воздействием вибраций в системе оболочка твэла - дистанионирующая решетка (фреттинг-коррозия), либо в системе оболочка твэла - механическая частица, застрявшая в дистанционирующей решетке (дебриз-эффект), а также исключение контакта агрессивной среды, которой является теплоноситель, при неподавленном радиолизе воды, с поверхностью оболочки твэла.

Эти три задачи можно решить путем нанесения на поверхности внутриреакторных конструкций, таких как твэлы, ТВС и ТК, а также их конструкционных элементов - ДР, переходников и т.п. защитных покрытий.

Наиболее близким техническим решением к заявленному является «Способ защиты внутриреакторных элементов от разрушения» (патент РФ №2195027. Дата подачи заявки: 21.06.2001. Дата публикации: 20.12.2002). В этом способе защита достигается тем, что на поверхность, или часть поверхностей твэла, и/или ТВС, и/или ТК наносят защитное покрытие из материала с микротвердостью, превышающей микротвердость конструкционных материалов контура ядерных реакторов и их окислов.

Существенным недостатком предложенного способа является недостаточная адгезия предлагаемых в указанном способе высокотвердых покрытий для конструкционных сплавов (прежде всего, циркониевых). Таким образом, применение высокотвердых покрытий, предложенных в названном способе, приводит к проблемам низкой адгезии и низкой прочности защитных покрытий в условиях эксплуатации реакторов, особенно при термоциклах, связанных с загрузкой-выгрузкой-перегрузкой ТВС, изменением мощности реактора, а также с плановыми регламентными и внеплановыми работами на реакторах, связанными с термоциклами конструкционных элементов.

Кроме того, недостатком указанного способа является склонность внутриреакторных элементов (прежде всего циркониевых) к поглощению кислорода и образованию устойчивых окисных пленок между подслоем и основным материалом детали, снижающих адгезионные свойства покрытий.

Решением указанной задачи достижения адгезии является разрушение окисной пленки в ходе формирования покрытия и формирование промежуточного слоя с переходной зоной внедрения материала покрытия в основной материал, когда структура покрытия будет состоять из переходной зоны «материал основы»-«подслой», а затем будут наноситься защитные слои покрытия.

Такое покрытие может формироваться сочетанием режимов ионной бомбардировки и осаждения при нанесении подслоя методами ионно-плазменного напыления в вакууме, а снижение внутренних напряжений в покрытии и повышение его плотности может обеспечиваться сочетанием высокоэнергетичных дуговых ионно-плазменных методов при формировании переходной зоны и подслоя и магнетронных методов нанесения для основных слоев.

Технический результат достигается тем, что для защиты внутриреакторных элементов от разрушения выполняют нанесение покрытия на поверхность или часть поверхности защищаемого внутриреакторного элемента. При этом в покрытии сначала наносят подслой из материала, менее твердого, чем основной защитный слой покрытия, и менее твердого, чем окисел конструкционного материала защищаемого внутриреакторного элемента, и затем напыляют, как минимум, один защитный слой из материала с микротвердостью, превышающей микротвердость конструкционного материала защищаемого внутриреакторного элемента и превышающей или равной значению микротвердости названного конструкционного материала, причем между подслоем и основным конструкционным материалом защищаемого внутриреакторного элемента формируют переходную зону из материала подслоя, внедренного в основу вышеназванного конструкционного материала, обеспечивающую высокую адгезию покрытия к защищаемой поверхности. При этом подслой покрытия может быть выполнен вакуумным ионно-плазменным дуговым способом, а слои основного покрытия - магнетронным способом, а в состав подслоя и слоев покрытия могут входить сплавы, нитриды, оксиды следующих элементов Cr, Al, Zr, Ti, W, Mo, Ni, Nb одновременно или в сочетаниях, а переходную зону из внедренного в основу материала подслоя могут формировать толщиной не более сотен нанометров.

Способ осуществляется следующим образом.

В вакуумную камеру (фиг.1), снабженную системой откачки, магнетронными и дуговыми источниками ионов металлов (1), источником высокого напряжения U, отрицательным электродом соединенного с подложкой, а положительным - с корпусом камеры, в подвижной оснастке размещается защищаемое изделие (подложка (2)) таким образом, чтобы его поверхность продвигалась в потоке ионов, образуемых размещенными в той же камере протяженными и/или точечными источниками ионов металлов (например, титан или сплав титана и алюминия, менее твердого, чем основной защитный слой покрытия - нитрид и менее твердого, чем окисел конструкционного материала - оксид циркония).

На подложку подается изменяющееся электрическое напряжение, закон изменения которого носит периодический характер, а крайние значения соответствуют режимам осаждения U_п (~0,1 кВ) и ионной бомбардировки U_иб (1-20 кВ), как показано на фиг.2. Этим обеспечивается необходимое ускорение (энергия) ионов при бомбардировке ими поверхности для ионной очистки, создания подслоя и защитных твердых слоев.

В объем камеры управляемым натекателем подается реакционный газ (например, азот) для формирования твердых соединений ионным методом (например, азот для формирования нитрида с микротвердостью, превышающей микротвердость конструкционного материала - сплава циркония и лежащей выше микротвердости конструкционного материала - сплава циркония и выше).

В качестве источников (1) используются дуговые и магнетронные источники с катодами/мишенями из материалов, используемых в покрытии.

Способ реализуется за три технологические операции, выполняемые последовательно в одной вакуумной камере: сначала поверхность подложки (2) подвергается ионной бомбардировке при напряжениях порядка 1-2 кВ, после чего напряжение изменяется до значений осаждения, периодически поднимаясь до значений бомбардировки, как показано на фиг.2. В результате формируется переходная зона, когда часть материала внедряется в материал подложки, а часть наносится в виде подслоя. После окончания формирования переходной зоны напряжение на подложке снижается до величин порядка 0,1 кВ и выполняется осаждение подслоя, затем в камеру подается реакционный газ при давлениях порядка 10^-3-10^-4 мм рт.ст., выключаются дуговые и включаются магнетронные источники и формируется один или несколько слоев защитного покрытия (например, нитрида титана или композиции нитридов титана-алюминия с микротвердостью, превышающей микротвердость конструкционного материала - сплава циркония и лежащей выше микротвердости конструкционного материала - сплава циркония).

Многослойная структура создается, например, при последовательном включении нескольких ионных источников, генерирующих ионные потоки разных металлов, такими металлами могут быть, например, титан и цирконий, причем очистка выполняется ионами титана, а затем наносятся слои нитридов титана и циркония.

Многослойная структура (например, из нитридов титана и циркония) включает слои (например, из нитридов титана и циркония), имеющие большую, чем материал конструкции (сплав циркония), но меньшую, чем окисел (оксид циркония), микротвердость, чем обеспечивается меньшая напряженность в покрытии и лучшая адгезия покрытия при термоциклах.

Изобретение относится к атомной энергетике, а именно к технологическим способам защиты элементов активной зоны ядерных реакторов канального и корпусного типа от разрушения, и может быть использовано для подавления дебриз-эффекта, фреттинг и локальной коррозии элементов. На поверхность или часть поверхности защищаемых элементов наносят покрытие, состоящее из подслоя и, как минимум, одного защитного слоя. Подслой наносят из материала, менее твердого, чем основной защитный слой покрытия, и менее твердого, чем окисел конструкционного материала. Затем напыляют защитный слой или слои из материала с микротвердостью, равной или превышающей микротвердость конструкционного материала. Между подслоем и основным материалом формируют переходную зону из внедренного в основу материала подслоя. Подслой покрытия может быть выполнен вакуумным ионно-плазменным дуговым способом, а слои основного покрытия - магнетронным способом. В состав покрытия могут входить сплавы, нитриды, оксиды следующих элементов Cr, Al, Zr, Ti, W, Mo, Ni, Nb одновременно или в сочетаниях. Толщина переходной зоны - не более сотен нанометров. Технический результат - высокая адгезия покрытия к защищаемой поверхности внутриреакторных элементов. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ защиты внутриреакторных элементов от разрушения, включающий нанесение покрытия на поверхность или часть поверхности защищаемого внутриреакторного элемента, отличающийся тем, что в покрытии сначала наносят подслой из материала, менее твердого, чем основной защитный слой покрытия и менее твердого, чем окисел конструкционного материала защищаемого внутриреакторного элемента, и затем напыляют как минимум один защитный слой из материала с микротвердостью, превышающей микротвердость конструкционного материала защищаемого внутриреакторного элемента и превышающей или равной значению микротвердости названного конструкционного материала, причем между подслоем и основным конструкционным материалом защищаемого внутриреакторного элемента формируют переходную зону из материала подслоя, внедренного в основу вышеназванного конструкционного материала, обеспечивающую высокую адгезию покрытия к защищаемой поверхности.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что подслой покрытия выполнен вакуумным ионно-плазменным дуговым способом, а слои основного покрытия - магнетронным способом.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в состав покрытия входят сплавы, нитриды, оксиды следующих элементов: Cr, Al, Zr, Ti, W, Mo, Ni, Nb одновременно или в сочетаниях.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что переходную зону из внедренного в основу материала подслоя формируют толщиной не более сотен нанометров.