СПЛАВ ДЛЯ ПОГЛОЩЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ НЕЙТРОНОВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА Российский патент 2014 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 ТУ14-1-3689-83, ТУ14-1-4599-89 на получение трубной заготовки из стали ЧС82. А также разработана технология получения горячекатаных труб из этой стали (ТУ14-242-275-89), которые служат заготовкой для получения шестигранных труб (ТУ14-3-1630-89).

Современные требования к материалам, которые способны поглощать тепловые нейтроны от радиоактивных элементов, диктуют повышение уровня поглощения. Увеличение содержания бора в стали ЧС82 от традиционного содержания (1,5-1,8)% согласно ТУ14-1-4599-89, например, до 2,5% делает сталь ЧС82 хрупкой и не пригодной для применения по назначению. Известен сплав на основе титана для поглощения тепловых нейтронов (патент РФ №2483132, БИ №15 от 27.05.13 г.), где содержание бора в диапазоне (1,5-3,5)%. Для увеличения поглощающих свойств необходимо увеличивать содержание бора в сплаве согласно современным требованиям - до 10%. Однако элемент бор и его изотоп 10 В, обладающий максимальной поглощающей способностью, существенно «охрупчивает» не только стали на основе железа, но и сплавы на основе титана. Это общее свойство боридов.

В табл.1, на основании известных данных из справочника: Свойства элементов: Справ. Издание в 2-х книгах. / Под ред. Дница М.Е. - М.: Издательский дом «Руда и металлы», 2003, представлены значения эффективных поперечных сечений захвата тепловых нейтронов для природных изотопов титана, алюминия, циркония, бора и самария.

Из табл.1 следует, что природный изотоп самария (149Sm) на порядок эффективнее поглощает тепловые нейтроны, чем изотоп бора 10 В.

Цель настоящего изобретения - разработка материала, который бы имел не только высокий уровень поглощения тепловых нейтронов, но и обладал высокими эксплуатационными и пластическими свойствами, что в целом обеспечивает безопасность хранения отработанного ядерного топлива.

Наиболее близкий к описываемому по технической сущности и достигаемому эффекту является сплав на основе титана ПТ7М (ГОСТ 19807-91), который также применяется в атомной энергетике (см. статью Ушкова С.С. И др. - Вопросы материаловеденья, 2009, №3 (59), с.172-187.). Химический состав сплава ПТ7М, вес. %:

Углерод 0,03-0,10 Железо 0,15-0,25 Кремний 0,05-0,12 Азот 0,010-0,040 Алюминий 1,8-2,5 Цирконий 2,0-3,0 Титан и примеси остальное

Поставленная цель достигается тем, что в известный сплав ПТ7М на основе титана добавляют редкоземельный элемент - самарий - в следующем объеме, вес. %: 0,5-5,0. Диапазон содержания в сплаве самария обусловлен оптимальным уровнем поглощения тепловых нейтронов и экономической целесообразностью. Ниже 0,5% - сплав не обеспечивает необходимый минимальный уровень поглощения тепловых нейтронов, более 5% - существенно повышается себестоимость сплава.

Для получения сплавов на основе титана используется электроннолучевой 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 (Al, Zr, Sm) в слитке осуществляется двойной переплав. Контроль нейтронного поглощения полученного сплава в слитке и трубах осуществляется с помощью отечественной установки УКПН-1.

Пример получения сплава на основе титана для поглощения тепловых нейтронов. Губчатый титан ТГ100 в виде дискретных кусков размером (20-45) мм перемешивается с лигатурой: из алюминия, циркония и самария (ТУ48-4-207-72) в соотношении - 1 кг (ТГ100)+0,025 кг (Al)+0,03 кг (Zr)+0,01 кг (Sm) 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 с величиной зерна 5-6 баллов. Горячее прессование позволяет получить трубу-заготовку для последующего холодного передела.

В табл.2 приведен химический состав полученного сплава (СПС-1,0; СПС-1,5), а в табл.3 представлены механические свойства кованного круга ⌀65 мм из сплава СПС-1,0; СПС-1,5 при +20°С вместе с величиной поглощения тепловых нейтронов при содержании самария 1,0% и 1,5%. Для сравнения в табл.2-3 представлены химический состав и механические свойства кованного круга ⌀65 мм из сплава ПТ7М, изготовленного на ОАО «ВСМПО АВИСМА» (г.В.Салда), согласно ГОСТ 26492-85,

Как следует из табл.1-3, заявленный сплав имеет высокий уровень поглощения тепловых нейтронов по сравнению с прототипом ПТ7М при этом имеет высокие прочностные свойства.

При этом необходимо отметить, что введение самария при выплавке сплава на основе титана не обязательно в виде технически чистого металла (Sm), изготовленного по ТУ48-4-207-72. Для сохранения нормативного требования по распределению самария в сплаве, где расстояние между частицами Sm не более 15 микрон, достаточно использовать в плавке диоксид самария, что существенно снижает себестоимость сплава и изделия из него.

Таким образом, снижая содержание титана в сплаве ПТ7М на (0,5-5,0)%, заменяя его на самарий (0,5-5,0)%, получаем сплав с высоким уровнем поглощения тепловых нейтронов, что востребовано в атомном машиностроении.

Таблица 1 Значения эффективных поперечных сечений захвата тепловых нейтронов природных изотопов титана, алюминия, циркония, бора, самария (n_ρ·10^-28 м²) № Изотоп n_ρ № Изотоп n_ρ № Изотоп n_ρ 1 46 Ti 0,6 3 90 Zr 0,10 5 149 Sm 50000 47 Ti 8,0   91 Zr 1,50   152 Sm 5600 154 Sm 5600 2 27 Al 0,21 4 10 В 3838             11 В 757

Таблица 2 Химический состав опытных плавок титановых сплавов с самарием (СПС-1,0; СПС-1,5) и прототипа ПТ7М № сплав Sm С Fe Si N Al Zr Ti примеси 1 СПС-1,0 1,0 0,08 0,20 0,10 0,02 2,5 3,0 осн 0,34 2 СПС-1,5 1,5 0,08 0,20 0,10 0,02 2,5 3,0 осн 0,34 3 ПТ7М - 0,07 0,15 0,08 0,03 2,1 2,5 осн 0,28

Таблица 3 Предел прочности (σ_b), предел текучести (σ₀₂), относительное удлинение (δ₅) и поглощение тепловых нейтронов (n_ρ·10^-28 м²) для сплавов титана СПС-1,0; СПС-1,5; ПТ7М при +20°С № СПЛАВ σ_b σ₀₂ δ₅ N_ρ (МПа) (МПа) (%)   1 СПС-1,0 730 510 30 109 2 СПС-1,5 790 543 25 355 3 ПТ7М 610 490 21 0,7

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 0,03-0,10; железо 0,15-0,25; кремний 0,05-0,12; азот 0,01-0,04; алюминий 1,8-2,5; цирконий 2,0-3,0; самарий 0,5-5,0; титан и примеси остальное. Сплав обладает повышенным уровнем поглощения тепловых нейтронов, высокими эксплуатационными и пластическими свойствами. 3 табл., 1 пр.

Сплав на основе титана для поглощения тепловых нейтронов, содержащий углерод, железо, кремний, азот, алюминий, цирконий и титан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит самарий при следующем содержании компонентов, вес.%:
Углерод 0,03-0,10 Железо 0,15-0,25 Кремний 0,05-0,12 Азот 0,010-0,04 Алюминий 1,8-2,5 Цирконий 2,0-3,0 Самарий 0,5-5,0 Титан и примеси остальное