Высокотемпературные коррозионные испытания углеродных материалов ядерных энергетических систем IV поколения под облучением на ускорителе электронов

Безопасная эксплуатация перспективных относительно внедрения в энергетике Украины XXI век модульных высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов (ВТГР) малой удельной мощности для производства электроэнергии и альтернативного углеводородного топлива и водорода из имеющихся запасов полезных ископаемых требует прогнозирования ресурса углеродных реакторных материалов при штатных (до 1300°C) и гипотетических аварийных (до 1600°C) условиях эксплуатации ВТГР. Особое внимание должно быть уделено оценике радиационно-стимулированной коррозийной деградации свойств реакторных графитов в химически агрессивных окисляющих средах под реакторным облучением.

Для ускорения и снижения стоимости испытаний по воспроизведению радиационных эффектов для материалов может быть использован ускоритель заряженных частиц.

Целью проведенных исследований было воспроизвести ключевые параметры температурных и коррозийных нагрузок для материалов, применяемых в ВТГР IV поколения. В частности, исследование в условиях штатной эксплуатации (температура 1250°C) материалов в радиационном окружении целевого модульного ВТГР IV поколения.

Подготовка образцов

Изготовлены экспериментальные образцы из реакторных графитов разных марок (ГСП, АРВ, МПГ) и УУКМ размером 40×2×3 мм и изготовление из этих графитов шаровых элементов Ø 45 мм и Ø 60 мм

Тестирование оборудования

Подготовлено модульное устройство для проведения исследований по окислению образцов углеродных материалов в воздушно-паровой среде, которое было испытано в температурном диапазоне (400…1250)°С и давлении 0,1 МПа.

Модульное устройство показало удовлетворительные результаты на работоспособность.

Методика проведения экспериментов

На основании выполненных испытаний и установленных параметров работоспособности модульного устройства была разработана методика экспериментов для исследования коррозийной стойкости облученных электронами образцов углеродных материалов в воздушно-паровой среде при температурах 1000…1250°С (СТП ННЦ ХФТИ 067:2014). Методика рекомендуется для использования в исследованиях связаных с изучением коррозийной стойкости углеродных материалов, которые используются в реакторостроении.

Исследование коррозийной стойкости образцов углеродных материалов проводится под воздействием пучка электронов при температуре 400…1250 °С (согласно плана эксперимента) в воздушно-паровой среде на протяжении 30, 60 и 80 минут.

Параметры пучка электронов в процессе облучения: энергия электронов в пучке 2.5 МэВ; ток пучку до 300 мкА.

Результаты экспериментов

Эксперименты по исследованию окисления углеродных материалов были проведены при температуре 1250°С в воздушно-паровой среде при давлении ˜0,1 МПа (20% пары) и скорости потока воздушно-паровой смеси (7,0…10,0) м/с (рассчитывалось для каждого эксперимента) на протяжении 30, 60 и 80 минут без облучения и при облучении электронами с энергией 2,5 МэВ в диапазоне токов электронного пучку (10…300) мкА. Использовались образцы из графитов марок ГСП, АРВ и МПГ.

Результаты исследований окисления графитов в воздушно-паровой среде без облучения приведены в Таблице 1.

Таблица 1 – Массовые потери образцов разных марок графитов в воздушно-влажной среде при 1250 °С

Марка графита	T, мин.	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

Определено, что при отсутствии облучения коррозийная стойкость в воздушно-паровой среде практически одинаковая для всех исследованных марок графитов.

Общий уровень скорости окисления 0,15 мг/г в секунду без облучения не зависит также от химического состава исследованных окислителей – воздух или воздух с 20 % водяного пара. Добавление пара существенным образом меняет характер временной зависимости скорости окисления.


Рисунок 1 – Зависимость скорости окисления в воздушно-паровой среде от времени для графита ГСП при температуре 1250 °C без облучения		Рисунок 2 – Зависимость скорости окисления в воздушной среде от времени для графита марки ГСП при температуре 1250 °C без облучения

При облучении электронами ситуация меняется кардинально.

При температуре (1200…1250) °С и токе пучку электронов, меньшем или равном 10 мкА, облучение электронами не влияет на скорость окисления графитовых материалов.

При той же температуре при токе пучка 30 мкА и 300 мкА скорость окисления существенно возрастает. При этом наибольшая коррозийная стойкость выявлена в изготовленном по технологии ННЦ ХФТИ графите ГСП с плотностью 1,84...1,90 г/см³.

Полученные результаты, прежде всего, важны для реализации системного подхода относительно отбора графитовых материалов, которые могут быть использованы в тепловыделяющих и поглощающих элементах активных зон ядерных реакторов, а также в конструкционных компонентах перспективных ядерно-энергетических систем IV поколения.