Материалы атомной отрасли: корпусные стали, цирконий, поглотители

• 60 летпроектный срок службы энергоблоков ВВЭР-1200
• ≈ 20 смтолщина стенки корпуса ВВЭР-1000 из стали 15Х2НМФА
• ≈ 18 % и 10 %хрома и никеля в нержавеющей стали 08Х18Н10Т
• 1 %ниобия в сплаве Э110 для оболочек твэлов

Почему реактору нужны особые материалы

Металл обычного котла тоже работает в горячей воде и под давлением. В реакторной установке к этому добавляются поток нейтронов из активной зоны и срок службы, который измеряют десятилетиями. Проектный срок службы энергоблоков ВВЭР-1200 — 60 лет, и корпус реактора всё это время должен прослужить без замены.

Что приходится выдерживать материалам реактора ВВЭР:

• Давление и температура. Вода первого контура находится под давлением около 16 МПа и нагрета примерно до 290–320 °C. Металл должен десятилетиями нести эту нагрузку, переживая пуски и остановки.
• Коррозия. Горячая вода с борной кислотой медленно, но непрерывно действует на металл. Продукты коррозии уносятся теплоносителем, проходят через активную зону и становятся радиоактивными.
• Облучение. Нейтроны выбивают атомы из узлов кристаллической решётки. Металл становится прочнее, но хрупче, может менять размеры и форму.
• Ядерно-физические требования. Одни материалы должны как можно меньше поглощать нейтроны, другие — наоборот, поглощать их как можно сильнее.

Радиационное повреждение измеряют в смещениях на атом (сна): сколько раз в среднем каждый атом был выбит со своего места. Металл корпуса ВВЭР за весь срок службы набирает меньше одного смещения на атом, а оболочки твэлов реакторов на быстрых нейтронах — порядка сотни. Как устроен сам реактор, рассказано в статье «Как устроен ядерный реактор».

Корпус реактора: теплоустойчивая сталь

Корпус ВВЭР — толстостенный сосуд, который держит давление первого контура и окружает активную зону. Его делают из теплоустойчивой низколегированной стали, сохраняющей прочность при длительной работе в нагретом состоянии: для ВВЭР-440 — из хромомолибденованадиевой стали 15Х2МФА, для ВВЭР-1000 и ВВЭР-1200 — из стали 15Х2НМФА с добавкой никеля.

Никель понадобился из-за толщины: стенка корпуса ВВЭР-1000 около 20 см против примерно 14 см у ВВЭР-440. Чтобы свойства были одинаковыми по всему сечению, сталь должна хорошо прокаливаться — закаливаться не только у поверхности, но и в глубине поковки, а никель повышает прокаливаемость. Корпус собирают из кованых обечаек — цельных колец без продольных швов, соединённых кольцевыми сварными швами.

Низколегированная сталь хорошо держит нагрузку, но плохо сопротивляется коррозии в воде первого контура. Поэтому внутреннюю поверхность корпуса, включая патрубки, покрывают антикоррозионной наплавкой — слоем аустенитной нержавеющей стали толщиной около 7–9 мм. Наплавляют её в два слоя: первый — из более легированного металла, около 25 % хрома и 13 % никеля, с запасом на перемешивание с основой, второй — из стали, стабилизированной ниобием.

Радиационное охрупчивание

При рабочей температуре сталь корпуса вязкая, но ниже определённой температуры становится хрупкой: трещина может пробежать в ней почти без пластической деформации. Эту границу характеризует критическая температура хрупкости; у нового металла она намного ниже рабочих температур.

Нейтроны сдвигают границу вверх. Выбитые атомы и вакансии собираются в скопления и дислокационные петли, медь выделяется мельчайшими кластерами, фосфор уходит на границы зёрен, никель с марганцем и кремнием тоже образует скопления. Металл упрочняется, но теряет пластичность, и критическая температура хрупкости растёт — это и есть радиационное охрупчивание.

Как нейтроны охрупчивают сталь корпуса

1. Нейтроны выбивают атомыиз узлов кристаллической решётки
2. Дефекты собираютсявыбитые атомы и вакансии — в скопления и дислокационные петли
3. Выделяются примесимедь — мельчайшими кластерами, фосфор — на границах зёрен
4. Металл упрочняетсяно теряет пластичность
5. Растёт температура хрупкостиграница, ниже которой сталь становится хрупкой, сдвигается вверх

Корпус должен оставаться вязким во всех режимах, включая аварийную подачу холодной воды в горячий реактор, когда стенка под давлением резко охлаждается изнутри. Поэтому в металле обечаек напротив активной зоны и в их сварных швах жёстко ограничивают фосфор и медь, а после опыта ВВЭР-1000 — и никель, особенно в металле швов. Поток нейтронов на стенку ослабляют слой воды и стальные внутрикорпусные устройства.

Образцы-свидетели и отжиг

Ещё до первого пуска в реактор закладывают образцы-свидетели из того же металла, что и корпус: основного металла, металла сварного шва и зоны термического влияния. Они стоят ближе к активной зоне, чем стенка, набирают дозу быстрее и показывают, каким станет металл корпуса через годы. Образцы извлекают по графику и испытывают на ударный изгиб, растяжение и трещиностойкость.

Охрупчивание частично обратимо. Если участок корпуса напротив активной зоны несколько суток выдержать при температуре заметно выше рабочей — у ВВЭР-440 около 475 °C, — значительная часть радиационных дефектов «залечивается». Такой восстановительный отжиг применяли, в частности, к корпусам первых ВВЭР-440, в сварных швах которых оказалось много фосфора и меди, а позднее и к корпусу ВВЭР-1000.

Нержавеющие стали и межкристаллитная коррозия

Там, где нужна высокая коррозионная стойкость, применяют аустенитные нержавеющие стали — прежде всего 08Х18Н10Т и 12Х18Н10Т. Хром образует на поверхности тончайшую защитную оксидную плёнку, а никель делает структуру стали аустенитной: она пластична, не охрупчивается на холоде и почти немагнитна.

Слабое место таких сталей — межкристаллитная коррозия (МКК). Если сталь побывала при температуре примерно 500–800 °C — например, у сварного шва, — углерод соединяется с хромом и выделяется по границам зёрен в виде карбидов. Металл рядом с ними обедняется хромом, и коррозия идёт вглубь по границам зёрен: снаружи деталь выглядит целой, а прочность уже потеряна.

Против этого в сталь вводят титан — в несколько раз больше, чем углерода. Он связывает углерод в прочные карбиды раньше хрома, и хром остаётся в твёрдом растворе. Такие стали называют стабилизированными; той же цели служат ниобий в сварочных материалах и пониженное содержание углерода — поэтому для ответственного оборудования чаще берут 08Х18Н10Т, а не 12Х18Н10Т.

Нержавеющая сталь после нагрева: без титана и с титаном

Из аустенитных сталей делают внутрикорпусные устройства ВВЭР — шахту, выгородку, блок защитных труб, — трубки парогенераторов, трубопроводы и арматуру вспомогательных систем, у ВВЭР-440 — и главный циркуляционный трубопровод. У ВВЭР-1000 и ВВЭР-1200 его, как и корпуса парогенераторов, делают из прочной и хорошо свариваемой низколегированной стали 10ГН2МФА, а поверхности, которые омывает вода первого контура, наплавляют нержавеющим металлом.

Цирконий: металл, прозрачный для нейтронов

Каждый нейтрон, поглощённый в оболочке твэла, отнимается у цепной реакции. Цирконий поглощает тепловые нейтроны более чем в десять раз слабее железа, прочен и стоек к коррозии в горячей воде, поэтому в реакторах на тепловых нейтронах оболочки твэлов и многие детали сборок делают из циркониевых сплавов. В рудах циркония всегда есть его химический «близнец» гафний — сильный поглотитель нейтронов, поэтому для атомной техники гафний отделяют почти полностью, до сотых долей процента.

Основной отечественный сплав для оболочек — Э110: цирконий с 1 % ниобия. Из него делают оболочки твэлов ВВЭР и РБМК и дистанционирующие решётки. Под облучением цирконий медленно меняет размеры даже без нагрузки — это радиационный рост. Для каркаса сборок — направляющих каналов и уголков — применяют более прочный сплав Э635 с оловом, ниобием и железом: он меньше ползёт и растёт под облучением, и сборка дольше остаётся прямой.

Цирконий для оболочек твэлов

• > 10 разслабее железа поглощает тепловые нейтроны
• до сотых долей %гафния остаётся в цирконии для атомной техники
• 1200 °Cвыше этого оболочки не должны нагреваться при проектной аварии

У циркония две слабости. В воде он медленно окисляется и поглощает часть выделяющегося водорода, а избыток водорода образует в металле хрупкие гидриды. При аварийном разогреве цирконий бурно реагирует с паром, выделяя тепло и водород, поэтому одно из главных требований к проектным авариям — оболочки не должны нагреваться выше 1200 °C.

Поглотители, защита и лишний кобальт

Для управления реактором нужны, наоборот, сильные поглотители нейтронов. Главный из них — карбид бора B₄C. Нейтроны поглощает изотоп бор-10, которого в природном боре около 20 %; для быстрых реакторов бор обогащают этим изотопом. Захватив нейтрон, ядро бора-10 распадается на литий-7 и альфа-частицу, поэтому в поглотителе накапливается гелий и материал распухает.

Где важен долгий ресурс, выручают другие материалы. Гафний — металл, стойкий в горячей воде: поглотив нейтрон, его ядро превращается в соседний изотоп, который тоже хорошо поглощает, поэтому эффективность гафния падает медленно. Титанат диспрозия — керамика с тем же свойством, к тому же не выделяющая газов при облучении.

В ВВЭР-1000 титанат диспрозия ставят, например, в нижнюю часть поглощающих элементов, а карбид бора — в верхнюю. Ещё один приём — выгорающий поглотитель: оксид гадолиния добавляют прямо в топливные таблетки части твэлов.

От излучения, выходящего из реактора, защищают толщи материалов. Вода и бетон замедляют и поглощают нейтроны, а сталь, бетон и свинец ослабляют гамма-излучение — подробнее в статье «Радиация и защита от неё».

Есть и элементы, которых в металле оборудования быть не должно, прежде всего кобальт. Он попадает в сталь как примесь вместе с никелем, а в арматуру — из кобальтовых твёрдых сплавов для наплавки трущихся поверхностей.

Частицы коррозии и износа уносятся теплоносителем, и в активной зоне кобальт-59 захватывает нейтрон и превращается в кобальт-60 с периодом полураспада около 5,3 года и жёстким гамма-излучением. Оседая на трубах и оборудовании, он становится одним из главных источников дозы для персонала при ремонтах. Поэтому кобальт в сталях для первого контура ограничивают, а кобальтовые наплавки стараются заменять сплавами без него.

Из чего сделан реактор ВВЭР (схема). Корпус — теплоустойчивая сталь с антикоррозионной наплавкой изнутри, оболочки твэлов — циркониевый сплав, внутрикорпусные устройства — аустенитная нержавеющая сталь, главный трубопровод ВВЭР-1000 — сталь 10ГН2МФА с наплавкой, поглотители — с бором, вокруг — бетонная биологическая защита.

Как проверяют металл

Требования к металлу задают федеральные нормы и правила, стандарты и технические условия: применять можно только допущенные материалы, а качество каждого листа, прутка, трубы или поковки подтверждают документы. О нормах и приёмке оборудования — в статье «Оборудование для АЭС: нормы и приёмка».

• Сертификат металлургического завода: номер плавки, химический состав, механические свойства, режим термообработки, результаты контроля и испытаний.
• Входной контроль на заводе-изготовителе: сверка сертификата с маркировкой, осмотр и обмер, при необходимости — повторные анализы и испытания.
• Химический составне только основные элементы, но и вредные примеси: сера, фосфор, медь, кобальт.
• Механические свойствапределы прочности и текучести, относительные удлинение и сужение, ударная вязкость; часть испытаний проводят при рабочей температуре.
• Стойкость к МКК по ГОСТ 6032: образцы после провоцирующего нагрева кипятят в растворе медного купороса с серной кислотой, затем изгибают и ищут трещины.
• Ультразвуковой контроль поковок, проката и труб на внутренние несплошности; поверхность проверяют капиллярным методом, а у перлитных сталей — и магнитопорошковым.

Маркировку плавки переносят на каждую заготовку и деталь. Так до конца изготовления видно, из какого она металла и каким документом подтверждено его качество.

Обработка нержавеющих сталей резанием

Аустенитные нержавеющие стали считаются труднообрабатываемыми, хотя твёрдость у них невысокая. Причина — сочетание нескольких свойств:

• Наклёп. Под режущей кромкой поверхностный слой сильно упрочняется. Если инструмент трётся, а не режет, или следующий проход идёт по упрочнённому слою, износ резко растёт.
• Низкая теплопроводностьпримерно втрое ниже, чем у углеродистой стали: тепло сосредотачивается на режущей кромке.
• Вязкая стружка. Сливная стружка плохо ломается и наматывается на инструмент и деталь, металл налипает на кромку и образует нарост.
• Большое тепловое расширениепримерно в полтора раза больше, чем у углеродистой стали, поэтому точные размеры проверяют после остывания детали.

Отсюда общие правила: острый инструмент с положительной геометрией и стружколомом, твёрдые сплавы и покрытия для нержавеющих сталей, жёсткая система «станок — приспособление — инструмент», обильное охлаждение зоны резания. Подачу и глубину выбирают так, чтобы кромка шла под упрочнённым слоем, а не скоблила его, и не допускают остановки инструмента в контакте с деталью. Скорости резания ниже, чем для углеродистой стали, а режимы подбирают по рекомендациям производителей инструмента.

Для атомного оборудования важна и чистота поверхности. Частицы углеродистой стали от инструмента и оснастки могут стать очагами ржавчины, а остатки хлоридов — причиной коррозионного растрескивания, поэтому смазочно-охлаждающие жидкости и другие технологические материалы выбирают без хлора и других галогенов. У циркония своя особенность: его мелкая стружка и пыль способны воспламеняться.

Термины

• Теплоустойчивая стальСталь, сохраняющая прочность при длительной работе под нагрузкой в нагретом состоянии; из таких сталей делают корпуса реакторов.
• Радиационное охрупчиваниеПотеря пластичности и вязкости металла под облучением нейтронами, которая проявляется ростом критической температуры хрупкости.
• Критическая температура хрупкостиТемпература, ниже которой сталь становится склонной к хрупкому разрушению.
• Образцы-свидетелиОбразцы из металла корпуса реактора, которые облучаются в самом реакторе, чтобы следить за изменением свойств корпуса.
• Антикоррозионная наплавкаСлой нержавеющего металла, наплавленный на внутреннюю поверхность корпуса реактора и другого оборудования для защиты от коррозии.
• Межкристаллитная коррозияКоррозия по границам зёрен металла, обычно из-за обеднения их хромом при выделении карбидов.
• Стабилизированная стальНержавеющая сталь с титаном или ниобием, которые связывают углерод и защищают её от межкристаллитной коррозии.
• НаклёпУпрочнение металла при пластической деформации, в том числе в поверхностном слое под режущим инструментом.

Частые вопросы

Из какой стали делают корпус реактора ВВЭР?

Корпуса ВВЭР-440 делают из теплоустойчивой хромомолибденованадиевой стали 15Х2МФА, корпуса ВВЭР-1000 и ВВЭР-1200 — из стали 15Х2НМФА с добавкой никеля. Внутреннюю поверхность корпуса защищает антикоррозионная наплавка из аустенитной нержавеющей стали.

Что такое радиационное охрупчивание корпуса реактора?

Под действием нейтронов в стали накапливаются дефекты и скопления примесей, металл упрочняется, но теряет пластичность, и его критическая температура хрупкости растёт. Скорость охрупчивания зависит от содержания меди, фосфора и никеля, а следят за ней по образцам-свидетелям, облучаемым в самом реакторе.

Зачем в сталь 08Х18Н10Т добавляют титан?

Титан связывает углерод в прочные карбиды и не даёт ему соединяться с хромом на границах зёрен. Без этого при нагреве, например при сварке, границы зёрен обедняются хромом, и сталь становится склонной к межкристаллитной коррозии.

Почему оболочки твэлов делают из циркония?

Цирконий поглощает тепловые нейтроны более чем в десять раз слабее железа и при этом прочен и стоек к коррозии в горячей воде. В отечественных реакторах ВВЭР и РБМК оболочки твэлов делают из сплава Э110 — циркония с 1 % ниобия.

Почему в металле оборудования АЭС ограничивают кобальт?

В активной зоне кобальт-59 из продуктов коррозии и износа превращается в кобальт-60 с периодом полураспада около 5,3 года и жёстким гамма-излучением. Оседая на трубах и оборудовании, он становится одним из главных источников дозы для персонала при ремонтах.