СПЛАВ ДЛЯ ПОГЛОЩЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ НЕЙТРОНОВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА Российский патент 2013 года по МПК C22C14/00 G21C7/06 G21F1/00 

Изобретение относится к области металлургии, к разработке новых нерадиоактивных материалов, и может быть использовано в атомной энергетической промышленности. Традиционные нерадиоактивные металлы, используемые более 50 лет в атомных энергетических установках, - это циркониевые сплавы (∋125, ∋225), коррозионно-стойкая сталь (08Х18Н10Т) и бористая сталь ЧС82 (04Х14Т3Р1Ф). Последняя, за счет содержания бора, обладает свойством поглощения тепловых нейтронов. В настоящее время из нее изготавливают шестигранные трубы для комплектации стеллажей свежего ядерного топлива и бассейнов выдержки отработанных тепловыделяющих сборок.

Эта сталь получила широкое применение в атомном машиностроении, разработаны и утверждены ТУ 14-1-3689-83, ТУ 14-1-4599-89 на получение трубной заготовки из стали ЧС82. А также разработана технология получения горячекатаных труб из этой стали (ТУ 14-242-275-89), которые служат заготовкой для получения шестигранных труб (ТУ 14-3-1630-89).

При этом до настоящего времени расходный коэффициент металла, от трубной заготовки до готового шестигранника, составляет более 400% (из четырех тонн круга получаем одну тонну готовой продукции). Это связано с низкими пластическими свойствами стали ЧС82 (δ₅≤10% при +20°С). В итоге в технологическом регламенте не предусмотрена холодная пластическая деформация труб из ст. ЧС82 вследствие склонности этого металла к возникновению макро- и микротрещин в режиме холодного передела. Также современные требования к материалам, которые способны поглощать тепловые нейтроны от радиоактивных элементов, диктуют повышение уровня поглощения.

Наиболее близким к описываемому по технической сущности и достигаемому эффекту является сплав на основе титана ВТ 1-0 (ГОСТ 19807-91: Титан и сплавы титановые деформируемые) следующего состава, вес.%:

углерод 0,03-0,07 железо 0,15-0,25 кремний 0,05-0,10 азот 0,010-0,030 алюминий 0,05-0,50 титан и примеси остальное.

Этот сплав имеет применение в авиастроении, химическом машиностроении в силу малого удельного веса (4,5 г/см³), по сравнению с железо-хромовыми сплавами (7,85 г/см³), а также антикоррозионных свойств. Для увеличения прочностных свойств сплава на основе титана и его коррозионной стойкости при эксплуатации в соприкосновении с морской водой был разработан ФГУП «ПРОМЕТЕЙ» сплав на основе титана ПТ7М (ГОСТ 19807-91), который также на сегодня имеет опыт применения в атомной энергетике (см. статью Ушкова С.С. и др. - «Вопросы материаловедения», 2009, №3 (59), с.172-187).

Однако переход от железо-хромового сплава к сплаву на основе титана ВТ1-0, включая добавление элементов алюминия (до 2,5%) и циркония (до 3%), в случае сплава ПТ7М, не решает проблему материала по поглощению тепловых нейтронов. В табл.1 на основании известных данных из справочника (Свойства элементов: Справ. Издание в 2 книгах / Под ред. Дница М.Е. - М.: Издательский дом «Руда и металлы», 2003) представлены значения эффективных поперечных сечений захвата тепловых нейтронов для природных изотопов железа, хрома, титана, алюминия, циркония, бора.

Из табл.1 следует, что природный изотоп бора 10В в тысячи раз эффективнее поглощения тепловых нейтронов, чем перечисленные железо, хром, титан, алюминий и цирконий.

При этом здесь отметим, что изделия из сплава ВТ1-0 (например, бесшовные трубы - ГОСТ 22897-86) имеют более низкие прочностные свойства (σ_b≥343 МПа, σ₀₂≥245 МПа, δ₅≈0,24), по сравнению со сталью ЧС82 (σ_b≥441 МПа, σ₀₂≥245 МПа, δ₅≈0,1) и сплавом на основе титана ПТ7М (σ_b≥470 МПа, σ₀₂≥372 МПа, δ₅≈0,20). Известны изобретения (а.с. СССР №2016132, БИ №13, 15.07.94; а.с. СССР №1258868, БИ №16, 30.04.93; а.с. СССР №2020186, БИ №18, 30.09.94), где добавление в металлические сплавы элемента бора увеличивает их прочностные свойства, а также теплостойкость, износостойкость и ударную вязкость материала.

Задача настоящего изобретения - разработка материала, который бы имел не только высокий уровень поглощения тепловых нейтронов, но и обладал высокими эксплуатационными и пластическими свойствами.

Поставленная задача достигается тем, что в известный сплав ВТ1-0 на основе титана добавляют элемент бор в следующем количестве, вес.%: 1,5-3,5.

Отличие предложенного сплава СПБ от прототипа ВТ1-0 заключается в том, что с добавлением в сплав ВТ1-0 на основе титана природной смеси изотопов бора 10В и 11В повышается на три порядка не только уровень поглощения тепловых нейтронов, но и прочностные свойства заявляемого сплава СПБ - сплав на основе титана с бором.

Диапазон содержания в сплаве СПБ бора обусловлен оптимальным уровнем поглощения тепловых нейтронов и экономической целесообразностью. Ниже 1,5% - сплав СПБ теряет устойчивость (по сплошности распределения бора) по захвату тепловых нейтронов, более 3,5% - резко снижаются пластические свойства сплава (δ₅<0,1).

Для получения сплавов на основе титана используется электронно-лучевой переплав (ЭЛП) в вакуумных печах. В качестве основного сырья применяется губчатый титан (марки ТГ100, ТГ110) с содержанием титана (99,7-99,7)% согласно ГОСТ 17746-96. С целью равномерного распределения легирующих элементов в слитке осуществляется двойной переплав. Контроль нейтронного поглощения полученного сплава СПБ в слитке и трубах осуществляется с помощью отечественной установки УКПН-1.

Пример получения сплава СПБ. Губчатый титан ТГ100 в виде дискретных кусков размером (20-45) мм перемешивается с природным технически чистым бором в соотношении: 1 кг (ТГ100)+0,02 кг (В), в общем объеме 20 кг и подается в экспериментальную установку (ЭЛП). После двойного переплава получаем слиток ⌀100 мм длиной 500 мм. После обточки и ротационной ковки слитка на диаметр 65 мм получим микроструктуру сплава СПБ с величиной зерна 5-6 баллов. Горячее прессование позволяет получить трубу-заготовку для последующего холодного передела.

В табл. 2 приведен химический состав полученного сплава СПБ, а в табл.3 представлены механические свойства кованного круга ⌀65 мм из сплава СПБ при +20°С вместе с величиной поглощения тепловых нейтронов при содержании бора 1,7% и 2,3%. Для сравнения в табл.2-3 представлены химический состав и механические свойства кованного круга ⌀65 мм из сплава ВТ1-0, изготовленного на ОАО «ВСМПО АВИСМА» (г. В-Салда), согласно ГОСТ 26492-85.

Как следует из табл.1-3, заявленный сплав СПБ имеет высокий уровень поглощения тепловых нейтронов, по сравнению с прототипом ВТ1-0, при этом имеет высокие прочностные свойства.

Таблица 1 Значения эффективных поперечных сечений захвата тепловых нейтронов для природных изотопов циркония, титана, железа, хрома, алюминия, бора (10^-28 м) № Изотоп Эфф. сечение № Изотоп Эфф. сечение № Изотоп Эфф. сечение 1 90 Zr 0,10-1,5 3 56Fe 2,43 5 27Аl 0,21   91 Zr                 92 Zr               2 46 Ti 0,6-8,0 4 52Cr 3,10 6 10В 3838   47 Ti           11В 757   48 Ti              

Таблица 2 Химический состав опытных плавок СПБ-1Б, СПБ-2 и прототипа ВТ1-0, вес (%) № СПЛАВ В С Н₂ Fe O₂ Si N Al Ti Примеси 1 СП-1 1,7 0,07 0,008 0,3 0,1 0,09 0,03 0,25 Осн. 0,30 2 СП-2 2,3 0,05 0,007 0,3 0,1 0,09 0,03 0,19 Осн. 0,27 3 ВТ1-0 - 0,05 0,005   0,1 0,09 0,03 0,20 Осн. 0,24

Таблица 3 Предел прочности (σ_b), предел текучести (σ₀₂), относительное удлинение (δ₅) и поглощение тепловых нейтронов (n_ρ·10^-28 м²) для сплавов СП-1, СП-2, ВТ1-0 № СПЛАВ σ_b (МПа) σ₀₂ (МПа) δ₅ (%) n_ρ 1 СП-1 570 395 21 21,3 2 СП-2 630 430 16 48,2 3 ВТ1-0 430 270 28 0,5

Изобретение относится к области металлургии, а именно к разработке новых нерадиоактивных материалов, и может быть использовано в атомной энергетической промышленности. Сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе титана содержит, вес.%: углерод 0,03-0,07, железо 0,15-0,25, кремний 0,05-0,10, азот 0,010-0,030, алюминий 0,05-0,50, бор 1,5-3,5, титан и примеси - остальное. Сплав обладает повышенным уровнем поглощения тепловых нейтронов, высокими эксплуатационными и пластическими свойствами. 3 табл., 1 пр.

Сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе титана, содержащий углерод, железо, кремний, азот и алюминий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит бор при следующем соотношении компонентов, вес.%:
Углерод 0,03- 0,07 Железо 0,15-0,25 Кремний 0,05-0,10 Азот 0,010-0,030 Алюминий 0,05-0,50 Бор 1,5-3,5 Титан и примеси остальное