Материал: КМ

Перлитные стали

Стали корпусов реакторов ВВЭР. Из аустенитных сталей делать нельзя, т.к. трудно обрабатывать и сваривать. У перлитных сталей более высокая технологичность, они не подвергаются коррозионному растрескиванию и в 7-8 раз дешевле.

Сумма легирующих элементов (Cr, Ni, Mb, Mn,V) ≤ 5%

σ_в=280-400 МПа; δ=15-30% достаточно пластичны

Перлит

Раньше на корпусные стали наносили плакирующие покрытия для повышения коррозионной стойкости. Сейчас покрытие на корпуса не наносят.

Корпуса реакторов: 25Х2НМФ, 15Х2НМФА (сталь повышенного качества)

Трубопроводы:10ГН2МФА, 12ХМФ

Сепараторы:16ГНМ

Влияние легирующих элементов на свойства сталей:

Мо (0,4 – 0,5%) – повышает коротковременную и длительную прочность.

С (0,08-0,42%) – повышает прочность стали за счет карбидного упрочнения.

Cr (0,5-1%) – упрочняет и повышает стабильность стали при повышенных температурах, то есть температура мало влияет на механические свойства стали.

V (0,6-0,85%) – увеличивает жаропрочность, повышает прочность при повышенных температурах.

Nb (0,5-0,7%) – предотвращает охрупчивание стали при термической обработке.

Ni (0,3 - 1%) – упрочняет феррит.

Коррозия перлитных сталей в водяном теплоносителе

• Перлитная сталь в 8-10 раз уступает аустенитной.

Повышение коррозионной стойкости: образование пленки магнетита (Fe₃O₄) на внутренней поверхности. Для этого в теплоноситель вводят ингибиторы (например, трилон Б, который при Т=90-100 °С растворяет железо, но при Т=350-400 °С разлагается с образованием пленки магнетита).

• Перлитный стали несклонны к коррозионному растрескиванию под напряжением.

• Минимальная коррозия при pH=11-13.

Наличие кислорода, растворенного в воде, увеличивает коррозию, поэтому водяной теплоноситель подвергается деаэрации для удаления кислорода.

Ухудшает коррозионную стойкость наличие ионов хлора. Также влияет скорость теплоносителя. При скорости > 10-12 м/с коррозия усиливается, т.к. смывается оксидная пленка.

Поведение перлитных сталей под облучением.

Охрупчивание корпуса реактора.

Температурная зависимость ударной вязкости для необлученного (Ф=0) и облученного (Т_обл = 270 °С) до разных флюенсов металла сварного шва стали 15Х2МФА

При значительных флюенсах температура перехода в хрупкое состояние повышается, те при обычных условиях перлитная сталь становится хрупкой (облучение при Т = 20-250 °С).

Если облучение происходит при Т ≥ 250 °С, то механические свойства практически не меняются.

При Т= 300-350 °С свойства остаются исходными.

При отжиге стали возвращаются прежние свойства!

Охрупчивание начинается с потока 10 ¹³ н/см², до этого свойства сталей не меняются (инкубационный период).

При облучении происходит увеличение предела прочности и текучести, но значительно уменьшается пластичность.

Перлитные стали, имеющие глобулярную (округлую) структуру феррита и перлита, обладают повышенными механическими свойствами.

Реакторный графит

Получают из смеси нефтяного кокса и каменноугольного пека (смола).

Смешивают и выделяют, либо прессуют в форму и нагревают до 1500  °С для графитации пека, т.е. он переходит в графитоподобное вещество. Эти заготовки высокопористые.

Полученные заготовки нагреваются до 2500-3000  °С для окончательной графитации, чем больше время выдержки при этой Т, тем совершенней структура графита.

Через полученные заготовки при Т=2000 °С пропускают поток хлора. При этой Т хлор образует легколетучие хлориды примесей, которые имеются в графите, и они уходят.

Реакторный графит имеет пористость 20-35%

Т_плавл примерно 4000 °С и зависит от величины внешнего давления

Кристаллическая структура

с

Кристаллическая структура графита: а = 142 нм, с = 335 нм

а − расположение кристаллографических плоскостей (002), (100), (112) в кристалле графита; б − взаимное расположение графитовых слоев в гексагональной решетке (последовательность АВАВАВ); в − взаимное расположение графитовых слоев в ромбоэдрической решетке (последовательность ABCABC); г − взаимное расположение слоев в турбостратной укладке (отсутствие периодичности)

Атомы имеют ковалентную связь, между слоями связь слабая.

Плоскости слоев выстраиваются близко по направлению к выдавливанию.

Теплопроводность

Пирографит обладает большой анизотропией свойств.

Теплопроводность:

λ_║а =350 Вт/(м·К)

λ_┴с =1,91 Вт/(м·К)

Коэффициент линейного расширения

α_║а =28,2·10^-6 1/К

α_┴с =1,5·10^-6 1/К

Коэффициент анизотропии весьма значителен!

Изменение физико-механических свойств углеродных материалов в зависимости от температуры обработки:

НВ − твердость; σ_сж − предел прочности при сжатии; Е − модуль упругости; λ − коэффициент теплопроводности; ρ_э − удельное электросопротивление; α_t − коэффициент теплового расширения и R_Х − коэффициент Холла (видматериала указан в нижнем индексе: 1 − КПГ; 2 − ГР-280; 3 − EP). Для материала ЕР даны значения в перпендикулярном (⊥) и паралельном (║) оси прессования направлениях

С ростом температуры прочностные свойства графита увеличиваются.

σ_в=21 МПа при Т=20 °С и увеличивается в 2 раза с ростом температуры.

После 2000 °С графит – самый прочный материал!

Пластичность графита

При высоких температурах графит становится пластичным.

Влияние облучения на графит

При облучении графита быстрыми нейтронами, 1 быстрый нейтрон выбивает из регулярных положений кристаллической решетки 20000 ядер углерода. Из-за этого значительно увеличивается расстояние «с», и уменьшается расстояние «а». При этом происходит изменение плотности, размера и объема графитовых изделий.

В графите накапливается запасенная энергия при облучении (энергия Вигнера). Она обусловлена деформацией кристаллов решетки. При увеличении температуры происходит самопроизвольный разогрев графита.

С ростом температуры происходит рекомбинация атомов и вакансий. Таким образом при нагреве происходит выделение запасенной энергии и саморазогрев графита. Максимальное накопление энергии происходит при потоке 10²⁵ н/м² (насыщение энергией Вигнера).

Запасенная энергия от температуры облучения

53