Високотемпературні корозійні випробування вуглецевих матеріалів ядерних енергетичних систем IV покоління під опроміненням на прискорювачі електронів

Безпечна експлуатація перспективних для впровадження в енергетиці України XXI століття модульних високотемпературних газоохолоджуваних реакторів (ВТГР) малої питомої потужності для виробництва електроенергії та альтернативного вуглеводневого палива і водню з наявних запасів корисних копалин вимагає прогнозування ресурсу вуглецевих реакторних матеріалів за штатних (до 1300°C) і гіпотетичних аварійних (до 1600°C) умов експлуатації ВТГР. Особливу увагу слід приділити оцінці радіаційно-стимульованої корозійної деградації властивостей реакторних графітів у хімічно агресивних окислювальних середовищах під реакторним опроміненням.

Для прискорення та здешевлення випробувань з відтворення радіаційних ефектів для матеріалів може бути використаний прискорювач заряджених частинок.

Метою проведених досліджень було відтворити ключові параметри температурних і корозійних навантажень для матеріалів, що застосовуються у ВТГР IV покоління. Зокрема, дослідження в умовах штатної експлуатації (температура 1250°C) матеріалів у радіаційному оточенні цільового модульного ВТГР IV покоління.

Підготовка зразків

Виготовлені експериментальні зразки з реакторних графітів різних марок (ГСП, АРВ, МПГ) та УУКМ розміром 40×2×3 мм і виготовлення з цих графітів кульових елементів Ø 45 мм та Ø 60 мм

Тестування обладнання

Підготовлено модульний пристрій для проведення досліджень з окиснення зразків вуглецевих матеріалів у повітряно-паровому середовищі, який був випробуваний у температурному діапазоні (400…1250)°С та тиску 0,1 МПа.

Модульний пристрій показав задовільні результати працездатності.

Методика проведення експериментів

На основі виконаних випробувань та встановлених параметрів працездатності модульного пристрою була розроблена методика експериментів для дослідження корозійної стійкості опромінених електронами зразків вуглецевих матеріалів у повітряно-паровому середовищі при температурах 1000…1250°С (СТП ННЦ ХФТІ 067:2014). Методика рекомендована для використання у дослідженнях, пов’язаних з вивченням корозійної стійкості вуглецевих матеріалів, які застосовуються у реакторобудуванні.

Дослідження корозійної стійкості зразків вуглецевих матеріалів проводиться під дією пучка електронів при температурі 400…1250 °С (згідно з планом експерименту) у повітряно-паровому середовищі протягом 30, 60 та 80 хвилин.

Параметри пучка електронів у процесі опромінення: енергія електронів у пучку 2.5 МеВ; струм пучка до 300 мкА.

Результати експериментів

Експерименти з дослідження окиснення вуглецевих матеріалів були проведені при температурі 1250°С у повітряно-паровому середовищі при тиску ˜0,1 МПа (20% пари) та швидкості потоку повітряно-парової суміші (7,0…10,0) м/с (розраховувалось для кожного експерименту) протягом 30, 60 та 80 хвилин без опромінення і при опроміненні електронами з енергією 2,5 МеВ у діапазоні струмів електронного пучка (10…300) мкА. Використовувалися зразки з графітів марок ГСП, АРВ та МПГ.

Результати досліджень окиснення графітів у повітряно-паровому середовищі без опромінення наведені у Таблиці 1.

Таблиця 1 – Масові втрати зразків різних марок графітів у повітряно-вологому середовищі при 1250 °С

Марка графіту	T, хв.	Δm/m, %
ГСП	20	16.8
	40	32
	64	45.6
	84	60
АРВ-2	30	33,6
	58	52
	74	61,6
МПГ-7	30	27,2
	64	46,4
	80	56,8

Встановлено, що за відсутності опромінення корозійна стійкість у повітряно-паровому середовищі практично однакова для всіх досліджених марок графітів.

Загальний рівень швидкості окиснення 0,15 мг/г за секунду без опромінення також не залежить від хімічного складу досліджених окислювачів – повітря або повітря з 20 % водяної пари. Додавання пари суттєво змінює характер часової залежності швидкості окиснення.


Рисунок 1 – Залежність швидкості окиснення у повітряно-паровому середовищі від часу для графіту ГСП при температурі 1250 °C без опромінення		Рисунок 2 – Залежність швидкості окиснення у повітряному середовищі від часу для графіту марки ГСП при температурі 1250 °C без опромінення

При опроміненні електронами ситуація змінюється кардинально.

За температури (1200…1250) °С і струму пучка електронів, меншого або рівного 10 мкА, опромінення електронами не впливає на швидкість окиснення графітових матеріалів.

За тієї ж температури при струмі пучка 30 мкА та 300 мкА швидкість окиснення суттєво зростає. При цьому найбільша корозійна стійкість виявлена у виготовленому за технологією ННЦ ХФТІ графіті ГСП з щільністю 1,84...1,90 г/см³.

Отримані результати, насамперед, важливі для реалізації системного підходу щодо відбору графітових матеріалів, які можуть бути використані у тепловиділяючих і поглинаючих елементах активних зон ядерних реакторів, а також у конструкційних компонентах перспективних ядерно-енергетичних систем IV покоління.