Материалы альтернативных ядерно-энергетических установок четвертого поколения :: НПК ВИЭРТ

Материалы альтернативных ядерно-энергетических установок четвертого поколения

Сокращение сырьевой базы углеводородов побудило ведущие страны мира предложить для энергетического рынка новый класс ядерных установок – модульные высокотемпературные газоохлаждаемые ядерные реакторы (ВТГР), которые способны эффективно производить как электричество (с КПД ~50%), так и в составе ядерно-технологических комплексов – жидкое синтетическое топливо из угля (ближайшая перспектива), а в будущем – водород для использования в водородной энергетике. Их важными преимуществами является модульность и чрезвычайно короткий (2 года) срок ввода в эксплуатацию от начала строительства. Для внедрения ядерно-энергетических систем нового поколения в атомной энергетике Украины важно повысить эффективность научных исследований, в частности, в области разработки радиационно-стойких реакторных материалов. Предвидение изменения свойств конструкционных и топливных материалов, вызванных облучением нейтронами и заряженными частицами в больших дозах, является основным требованием при разработке и эксплуатации новейших энергетических реакторов, к которым также относятся высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы (ВТГР) четвертого поколения.

Имитационные эксперименты по определению коррозионной стойкости реакторных графитов в среде кислорода.

Имитационные испытания проводились на образцах перспективных реакторных графитов марок МПГ, ГСП и АРВ.

Выбрана методика исследований и проведена модернизация многоцелевой установки для окисления образцов графитов в кислороде (см. рис. 1).

Рисунок 1 – Схема установки для окисления и насыщения образцов кислородом: 1 - вакуумная камера, 2 - печь отжига, 3 - форвакуумных камера, 4 - держатель образцов, 5 - шток ввода держателя, 6 - трубопроводы для подачи газа, 7 - накопитель газа, 8 - индикатор потока газа, 9 - печь нагрева очистителя газа, 10 - кварцевая трубка с медной стружкой, 11 - баллон O₂, 12 - образцы, 13 - вентили

Определена кинетика окисления графитов в кислороде при температурах 400, 600 и 800 °С в течение 50, 10 и 3 часов соответственно. Подтверждено, что процесс окисления графитовых материалов в кислороде происходит с потерей массы.

Потеря массы образцов графитовых материалов характеризуется образованием газообразного продукта коррозии и отсутствием на поверхности оксидных пленок. Поскольку образцы изготавливаются из порошковых материалов, графитовые материалы имеют значительную пористость, величина которой зависит от технологии их получения. Процесс окисления может происходить не только на поверхности образцов, но и в порах, следовательно, и в объеме материала. Это объясняет значительные скорости коррозии, проявляющиеся в убыли массы образцов.

Внешний вид образцов (см. рис. 2 – 4) свидетельствует о том, что при температурах около 400 °С процесс коррозии идет с малой скоростью, и образцы сохраняют свою форму. При 600 °С на образцах (за исключением образцов графита ГСП плотностью 1,77-1,9 г/см³) наблюдаются коррозионные проявления уже после 10 часов. Поэтому следует ожидать, что в процессе дальнейшего окисления эти образцы будут разрушаться.

Рисунок 2 – Внешний вид исходных образцов: a) МПГ; b) ГСП-1,52; c) АРВ

Внешний вид образцов после окисления в среде кислорода при 400 C на протяжении 50 часов

Рисунок 3 – Внешний вид образцов после испытаний в среде кислорода
при 400 °C на протяжении 50 часов: a) МПГ; b) ГСП-1,52; c) АРВ

Рисунок 4 – Внешний вид образцов после окисления в среде кислорода
при 600 °C на протяжении 10 часов: a) МПГ; b) ГСП-1,52; c) АРВ

Наиболее интенсивно процесс разрушения исследованных образцов графитовых материалов наблюдается при окислении с 800 °С (см. рис. 5). При этом присутствуют не только значительная скорость потери массы, но и ускоренное уменьшение размеров и формоизменение образцов. При данной температуре материал не является коррозионностойким.

Внешний вид образцов после испытаний при 800 C на протяжении 3 часов

Рисунок 5 – Внешний вид образцов после испытаний при 800 °C
в течение 3 часов: a) МПГ; b) ГСП-1,52; c) АРВ

Имитационные эксперименты по определению коррозии реакторных графитов в среде кислорода под действием облучения электронами.

Для проведения экспериментов по исследованию коррозии образцов графита в среде кислорода в процессе облучения электронами использовали ускоритель электронов ELIAS ННЦ ХФТИ с энергией электронов (2-3) МэВ и током пучка (1-1000) мкА (см. рис. 6).

Рисунок 6 – Генератор пучка первичных электронов ускорителя ELIAS ННЦ ХФТИ

Разработана и изготовлена камера для облучения образцов (см. рис. 7–8).


Рисунок 7 – Камера для облучения образцов в сборе		Рисунок 8 – Внешний вид установленной камеры для облучения образцов на ускорителе электронов ELIAS

Проведены имитационные коррозионные испытания различных марок графита в среде кислорода при температуре 600 °С и давлении кислорода в 0,1 МПа при воздействии на них потоков электронов с энергией 2,5 МэВ и током пучка 230 мкА (см. рис. 9). Показано, что под облучением процесс окисления и скорость окисления графитов возрастает в (5-10) раз.

Рисунок 9 – Внутренняя часть камеры облучения с установленными образцами и термопарами

Показано, что скорость окисления под облучением зависит от позиции расположения образца в камере облучения - а тем самым от его температуры - и для образцов с одинаковыми исходными характеристиками может отличаться примерно в два раза.

Определено, что среди рассмотренных образцов, наибольшую коррозионную стойкость, при одинаковых условиях имитационного эксперимента, имеет графит ГСП с плотностью (1,77-1,9) г/см³.