Матеріали альтернативних ядерно-енергетичних установок четвертого покоління :: НВК ВДЕРТ

Матеріали альтернативних ядерно-енергетичних установок четвертого покоління

Скорочення сировинної бази вуглеводнів спонукало провідні країни світу запропонувати для енергетичного ринку новий клас ядерних установок – модульні високотемпературні газоохолоджувані ядерні реактори (ВТГР), які здатні ефективно виробляти як електроенергію (з ККД ~50%), так і у складі ядерно-технологічних комплексів – рідке синтетичне паливо з вугілля (найближча перспектива), а в майбутньому – водень для використання у водневій енергетиці. Їх важливими перевагами є модульність і надзвичайно короткий (2 роки) термін введення в експлуатацію від початку будівництва. Для впровадження ядерно-енергетичних систем нового покоління в атомній енергетиці України важливо підвищити ефективність наукових досліджень, зокрема, у галузі розробки радіаційно-стійких реакторних матеріалів. Передбачення зміни властивостей конструкційних і паливних матеріалів, викликаних опроміненням нейтронами і зарядженими частинками у великих дозах, є основною вимогою при розробці та експлуатації новітніх енергетичних реакторів, до яких також належать високотемпературні газоохолоджувані реактори (ВТГР) четвертого покоління.

Імітаційні експерименти з визначення корозійної стійкості реакторних графітів у середовищі кисню.

Імітаційні випробування проводилися на зразках перспективних реакторних графітів марок МПГ, ГСП та АРВ.

Обрано методику досліджень і проведено модернізацію багатоцільової установки для окислення зразків графітів у кисні (див. рис. 1).

Рисунок 1 – Схема установки для окислення і насичення зразків киснем: 1 - вакуумна камера, 2 - піч відпалу, 3 - форвакуумна камера, 4 - тримач зразків, 5 - шток введення тримача, 6 - трубопроводи для подачі газу, 7 - накопичувач газу, 8 - індикатор потоку газу, 9 - піч нагріву очищувача газу, 10 - кварцова трубка з мідною стружкою, 11 - балон O₂, 12 - зразки, 13 - вентилі

Визначено кінетику окислення графітів у кисні при температурах 400, 600 і 800 °С протягом 50, 10 і 3 годин відповідно. Підтверджено, що процес окислення графітових матеріалів у кисні відбувається з втратою маси.

Втрата маси зразків графітових матеріалів характеризується утворенням газоподібного продукту корозії та відсутністю на поверхні оксидних плівок. Оскільки зразки виготовляються з порошкових матеріалів, графітові матеріали мають значну пористість, величина якої залежить від технології їх отримання. Процес окислення може відбуватися не лише на поверхні зразків, а й у порах, а отже, і в об'ємі матеріалу. Це пояснює значні швидкості корозії, що проявляються у зменшенні маси зразків.

Зовнішній вигляд зразків (див. рис. 2 – 4) свідчить про те, що при температурах близько 400 °С процес корозії йде з малою швидкістю, і зразки зберігають свою форму. При 600 °С на зразках (за винятком зразків графіту ГСП щільністю 1,77-1,9 г/см³) спостерігаються корозійні прояви вже після 10 годин. Тому слід очікувати, що в процесі подальшого окислення ці зразки будуть руйнуватися.

Рисунок 2 – Зовнішній вигляд вихідних зразків: a) МПГ; b) ГСП-1,52; c) АРВ

Зовнішній вигляд зразків після окислення у середовищі кисню при 400 C протягом 50 годин

Рисунок 3 – Зовнішній вигляд зразків після випробувань у середовищі кисню
при 400 °C протягом 50 годин: a) МПГ; b) ГСП-1,52; c) АРВ

Рисунок 4 – Зовнішній вигляд зразків після окислення у середовищі кисню
при 600 °C протягом 10 годин: a) МПГ; b) ГСП-1,52; c) АРВ

Найінтенсивніше процес руйнування досліджених зразків графітових матеріалів спостерігається при окисленні з 800 °С (див. рис. 5). При цьому присутні не лише значна швидкість втрати маси, а й прискорене зменшення розмірів і зміна форми зразків. За цієї температури матеріал не є корозійностійким.

Рисунок 5 – Зовнішній вигляд зразків після випробувань при 800 °C
протягом 3 годин: a) МПГ; b) ГСП-1,52; c) АРВ

Імітаційні експерименти з визначення корозії реакторних графітів у середовищі кисню під дією опромінення електронами.

Для проведення експериментів з дослідження корозії зразків графіту у середовищі кисню в процесі опромінення електронами використовували прискорювач електронів ELIAS ННЦ ХФТІ з енергією електронів (2-3) МеВ і струмом пучка (1-1000) мкА (див. рис. 6).

Рисунок 6 – Генератор пучка первинних електронів прискорювача ELIAS ННЦ ХФТІ

Розроблено та виготовлено камеру для опромінення зразків (див. рис. 7–8).


Рисунок 7 – Камера для опромінення зразків у зборі		Рисунок 8 – Зовнішній вигляд встановленої камери для опромінення зразків на прискорювачі електронів ELIAS

Проведено імітаційні корозійні випробування різних марок графіту у середовищі кисню при температурі 600 °С і тиску кисню 0,1 МПа під впливом на них потоків електронів з енергією 2,5 МеВ і струмом пучка 230 мкА (див. рис. 9). Показано, що під опроміненням процес окислення і швидкість окислення графітів зростає у (5-10) разів.

Рисунок 9 – Внутрішня частина камери опромінення з встановленими зразками і термопарами

Показано, що швидкість окислення під опроміненням залежить від позиції розташування зразка у камері опромінення - а отже від його температури - і для зразків з однаковими вихідними характеристиками може відрізнятися приблизно у два рази.

Визначено, що серед розглянутих зразків, найбільшу корозійну стійкість, за однакових умов імітаційного експерименту, має графіт ГСП з щільністю (1,77-1,9) г/см³.