Радиационное охрупчивание корпуса реактора и образцы-свидетели

• 10¹⁹–10²⁰быстрых нейтронов на квадратный сантиметр набирает стенка корпуса за срок службы — по порядку величины
• > 0,5 МэВэнергия нейтронов, которые учитывают во флюенсе на корпус ВВЭР
• 1987год первого в мире восстановительного отжига корпуса реактора — третий блок Нововоронежской АЭС
• 15 летразрешённого срока службы добавил корпусу ВВЭР-1000 первый отжиг в 2018 году

Что нейтроны делают со сталью

Стенка корпуса ВВЭР напротив активной зоны десятилетиями стоит под потоком быстрых нейтронов. Большую их часть задерживают вода и стальные внутрикорпусные устройства, но и того, что доходит до металла, хватает, чтобы за годы заметно изменить его свойства. Как устроен корпус, рассказано в статье «Корпус реактора ВВЭР», а коротко о механизмах охрупчивания и об отжиге — в статье «Материалы атомной отрасли». Здесь — подробнее: что происходит в металле, чем это опасно, как за этим следят и что из этого следует для изготовителя.

Быстрый нейтрон, столкнувшись с ядром железа, передаёт ему часть своей энергии — десятки килоэлектронвольт. Этого с большим запасом хватает, чтобы выбить атом из узла кристаллической решётки, и он, тормозясь, выбивает соседей, а те — следующих. Возникает каскад смещений: за ничтожные доли секунды со своих мест сдвигаются сотни атомов.

Большинство сдвинутых атомов тут же занимает свободные места, но часть дефектов остаётся: вакансии — пустые узлы решётки — и межузельные атомы, втиснутые между узлами. При рабочей температуре стенки, около 270–290 °C, они подвижны: бродят по решётке, исчезают, встречаясь друг с другом, или собираются в скопления и дислокационные петли — плоские диски размером в несколько нанометров.

Подвижные дефекты ускоряют и диффузию примесей. Медь в стали при этой температуре находится в пересыщенном растворе: без облучения она годами остаётся на месте, а под облучением собирается в кластеры размером в несколько нанометров вместе с никелем, марганцем и кремнием. Фосфор уходит на границы зёрен и ослабляет связь между ними.

Скопления, петли и кластеры — препятствия для дислокаций, линейных дефектов решётки, движение которых и есть пластическая деформация. Металл становится прочнее, но теряет запас пластичности. Фосфор на границах действует иначе: металл почти не упрочняется, но легче разрушается по границам зёрен.

Два пути охрупчивания стали под облучением

Меру облучения называют флюенсом — это число нейтронов, прошедших за всё время через квадратный сантиметр поверхности. Для корпусов ВВЭР учитывают нейтроны с энергией выше 0,5 МэВ — именно быстрые нейтроны наносят основной вред. За срок службы внутренняя поверхность стенки напротив активной зоны набирает их порядка 10¹⁹–10²⁰ на квадратный сантиметр, к наружной поверхности флюенс уменьшается в разы. Уменьшить его помогает загрузка топлива: по краям активной зоны ставят наиболее выгоревшие сборки, из зоны вылетает меньше нейтронов, и корпус охрупчивается медленнее.

Что меняется в свойствах

Сталь корпуса, как и другие углеродистые и низколегированные стали, при охлаждении переходит из вязкого состояния в хрупкое. Если испытать на ударный изгиб серию образцов с надрезом при разных температурах, получится S-образная кривая: внизу — хрупкое разрушение с малой работой удара, вверху — вязкое, на верхнем плато, между ними — переходная область. Её положение на шкале температур характеризует критическая температура хрупкости Tк. Как проводят такие испытания и как находят Tк, рассказано в статье «Ударная вязкость и хладноломкость».

Облучение меняет свойства стали по трём признакам:

• Растёт предел текучести. Металл упрочняется: пластическая деформация начинается при большем напряжении. По прочности это похоже на улучшение, но запас пластичности уменьшается.
• Сдвигается критическая температура хрупкости. Кривая ударной вязкости смещается в сторону высоких температур на величину ΔTк — главный показатель охрупчивания корпусной стали.
• Опускается верхнее плато. Даже там, где металл разрушается вязко, на разрушение образца уходит меньше энергии.

Насколько сдвинется Tк, зависит от флюенса и материала. В отечественных нормах расчёта на прочность классическая зависимость такая: сдвиг равен коэффициенту радиационного охрупчивания, который определяется материалом и содержанием в нём примесей, умноженному на корень кубический из флюенса.

Отсюда важное следствие: охрупчивание со временем замедляется, но не останавливается. Чтобы сдвиг удвоился, флюенс должен вырасти в 8 раз, а чтобы утроился — в 27 раз. Кроме облучения, Tк поднимают длительная работа при высокой температуре — тепловое старение — и циклические нагрузки; в расчёте их учитывают отдельными слагаемыми.

Сдвиг критической температуры хрупкости растёт медленнее флюенса

• сдвиг ΔTкисходный флюенс
• вдвое большефлюенс больше в 8 раз
• втрое большефлюенс больше в 27 раз

Классическая зависимость из отечественных норм: сдвиг пропорционален корню кубическому из флюенса.

Медь, фосфор и никель

Сильнее всего скорость охрупчивания зависит от состава металла. Повышенным содержанием фосфора и меди в металле сварных швов объясняли быстрое охрупчивание корпусов первых ВВЭР-440. В корпусах следующих поколений этих примесей стало меньше: в стали и сварочных материалах для металла напротив активной зоны медь и фосфор ограничивают сотыми долями процента.

С никелем вышло сложнее. Корпуса ВВЭР-1000 толще, и чтобы поковка прокаливалась насквозь, в сталь 15Х2НМФА ввели никель; много никеля оказалось и в металле швов — в большинстве корпусов ВВЭР-1000 больше 1,5 %, а в некоторых до 1,9 %. Выяснилось, что никель вместе с марганцем и кремнием тоже образует под облучением скопления и ускоряет охрупчивание, даже когда меди мало. Поэтому в металле швов новых корпусов никель ограничивают, а сталь выплавляют с ужесточёнными требованиями к примесям — например, 15Х2НМФА-А.

Термошок: зачем нужен запас

Пока реактор работает, стенка корпуса горячая и намного теплее критической температуры хрупкости даже облучённого металла. Опасность возникает в переходных режимах, и прежде всего при аварийном охлаждении: если первый контур теряет воду, системы безопасности подают в горячий реактор холодный раствор борной кислоты.

Холодная вода омывает внутреннюю поверхность корпуса, и та остывает намного быстрее толщи стенки. Остывшие слои металла стремятся сжаться, но их держит горячий металл глубже, и у поверхности возникают большие растягивающие напряжения. Если давление в контуре при этом остаётся высоким или снова поднимается, к ним добавляются напряжения от давления. Такой режим называют термошоком, или термическим ударом под давлением.

Самое уязвимое место — внутренняя часть стенки напротив активной зоны: флюенс там наибольший, металл охрупчен сильнее всего и остывает быстрее всего. Если там окажется трещина, а температура металла опустится ниже его критической температуры хрупкости, трещина может пробежать хрупко, почти без пластической деформации.

Как развивается термошок

1. Течь первого контурасистемы безопасности подают в горячий реактор холодный раствор
2. Остывает поверхностьвнутренняя поверхность корпуса остывает быстрее толщи стенки
3. Растягивающие напряженияостывшие слои стремятся сжаться, но их держит горячий металл глубже
4. Добавляется давлениеесли давление в контуре остаётся высоким или снова поднимается
5. Риск хрупкой трещиныесли там есть трещина и металл остыл ниже своей Tк, она может пробежать хрупко

Поэтому выполняют расчёт на сопротивление хрупкому разрушению. В нём у внутренней поверхности постулируют трещину заданного размера — даже если контроль ничего не нашёл — и проверяют самые жёсткие режимы охлаждения. Результат расчёта — допускаемая критическая температура хрупкости: корпус может работать, пока Tк его металла с учётом облучения остаётся ниже неё, то есть пока стенка при любом охлаждении остаётся вязкой с запасом.

Охрупчивание сказывается и в обычной работе. Чем выше Tк, тем при более высокой температуре разрешено поднимать давление при пуске и проводить гидравлические испытания контура: холодный корпус под полным давлением держать нельзя.

Образцы-свидетели

Расчёт сдвига — прогноз, и его нужно проверять на настоящем металле. Разрезать на образцы сам корпус нельзя, поэтому ещё до первого пуска в реактор закладывают образцы-свидетели — комплекты образцов из того же металла, что и корпус. В комплект входят:

• Основной металл. Образцы из металла тех же плавок, что и обечайки напротив активной зоны, прошедшего ту же термообработку.
• Металл шва. Образцы из контрольного сварного соединения, сваренного по той же технологии и теми же партиями проволоки и флюса.
• Зона термического влияния. Металл у границы шва, структуру которого изменил нагрев при сварке.
• Мониторы. Детекторы флюенса нейтронов и температурные мониторы: по ним узнают, какую дозу и при какой температуре получили образцы.

Образцы бывают трёх видов: на ударный изгиб, растяжение и трещиностойкость. Больше всего — на ударный изгиб: чтобы построить кривую и найти Tк, нужна серия образцов, испытанных при разных температурах. Такие же образцы из того же металла до пуска испытывают в исходном состоянии — от этих результатов отсчитывают сдвиг.

Контейнеры с образцами ставят внутри корпуса так, чтобы они были ближе к активной зоне, чем стенка. Поток нейтронов на них больше, и образцы набирают флюенс быстрее корпуса. Отношение потоков на образцы и на стенку называют коэффициентом опережения: благодаря ему образцы показывают состояние металла корпуса на годы вперёд. Облучаться они должны в похожих условиях — при той же температуре и в похожем спектре нейтронов, иначе результат придётся пересчитывать.

Комплекты извлекают по программе — на остановках для перегрузки топлива, через заданные промежутки времени. Облучённые образцы радиоактивны, поэтому их перевозят в защитных контейнерах и испытывают в горячих камерах — защищённых помещениях, где все операции выполняют манипуляторами. Результаты сравнивают с расчётом: если металл охрупчивается быстрее прогноза, оценку ресурса корпуса пересматривают.

Образцы-свидетели и радиационное охрупчивание (схема). Слева — реактор в плане: контейнеры с образцами из металла корпуса стоят ближе к активной зоне, чем стенка корпуса, и набирают дозу нейтронов быстрее неё. Справа — что показывают испытания: после облучения кривая ударной вязкости сдвигается в сторону высоких температур на ΔTк, а её верхняя часть опускается.

Восстановительный отжиг

Охрупчивание частично обратимо. Если металл нагреть намного выше рабочей температуры и выдержать, дефекты становятся подвижнее: мелкие скопления и петли распадаются или укрупняются и перестают мешать дислокациям, и значительная часть сдвига Tк уходит. Такой нагрев называют восстановительным отжигом.

Впервые в мире корпус реактора отожгли в 1987 году на третьем блоке Нововоронежской АЭС с ВВЭР-440, а в 1991 году его отожгли ещё раз. С 1987 по 1992 год по той же технологии отожгли 11 корпусов ВВЭР-440 на российских и зарубежных станциях. Режим — нагрев участка напротив активной зоны примерно до 475 °C, выдержка около 150 часов и медленное охлаждение.

Для отжига из реактора выгружают топливо, вынимают внутрикорпусные устройства и опускают внутрь корпуса нагревательную установку, а сам корпус остаётся на своём месте в шахте. Нагрев и остывание ведут медленно и под постоянным контролем температуры, чтобы перепады не создали в толстой стенке опасных напряжений.

Для ВВЭР-1000 режим подбирали заново — под металл швов с повышенным содержанием никеля, — и температуру подняли. Первый в мире отжиг корпуса ВВЭР-1000 провели в ноябре 2018 года на первом блоке Балаковской АЭС: металл медленно нагрели до 565 °C, выдержали 100 часов и постепенно охладили. По результатам отжига корпус получил ещё 15 лет разрешённого срока службы.

Температура металла корпуса: в работе и при отжиге

• ≈ 270–290стенка в работе
• ≈ 475отжиг ВВЭР-440, выдержка ≈ 150 ч
• 565отжиг ВВЭР-1000, выдержка 100 ч

Отжиг не останавливает охрупчивание: под облучением металл снова начинает охрупчиваться, и за ним продолжают следить — по образцам-свидетелям и расчётом. Корпус практически невозможно заменить, поэтому его состояние во многом определяет, сколько проработает энергоблок; как отжиг вписывается в продление срока эксплуатации, рассказано в статье «Ремонт АЭС».

Что важно изготовителю

Скорость охрупчивания корпуса закладывается задолго до пуска — при выплавке стали и сварке. Исправить состав металла потом нельзя, а отжиг снимает последствия облучения лишь частично. Поэтому требования к металлу и швам напротив активной зоны — самые строгие во всём корпусе.

Исходная критическая температура хрупкости — тоже ресурс. Чем она ниже у нового металла, тем больший сдвиг корпус выдержит до допускаемого предела, поэтому её определяют при приёмке каждой поковки и сварного соединения и записывают в документы: от неё отсчитывают весь прогноз.

Изготовление самих образцов-свидетелей — точная механообработка. Каждую заготовку вырезают из указанного места — с заданной ориентацией относительно направления ковки и на заданной глубине, потому что свойства толстой поковки по сечению и направлениям различаются. Резать нужно без перегрева, который может изменить структуру, а надрез образцов на ударный изгиб выполнять точно по стандарту: от его формы напрямую зависит результат.

Каждый образец маркируют, а его место в заготовке и в контейнере записывают: через десятилетия по номеру образца должны восстановить, из какого металла он сделан. Часть металла оставляют в запасе необлучённой — для дополнительных образцов и сравнения.

Термины

• Каскад смещенийЦепочка столкновений, в которой атом, выбитый быстрым нейтроном, сдвигает со своих мест сотни соседних атомов.
• ФлюенсЧисло нейтронов, прошедших за всё время облучения через квадратный сантиметр поверхности; для корпусов ВВЭР считают нейтроны с энергией выше 0,5 МэВ.
• Сдвиг критической температуры хрупкостиРост критической температуры хрупкости металла под облучением, ΔTк; главный показатель радиационного охрупчивания корпусной стали.
• ТермошокРезкое охлаждение внутренней поверхности горячего корпуса холодной водой при давлении в контуре; самый опасный режим для охрупченного металла.
• Допускаемая критическая температура хрупкостиПредел, найденный расчётом на сопротивление хрупкому разрушению; критическая температура хрупкости металла корпуса должна оставаться ниже него.
• Коэффициент опереженияОтношение потока нейтронов на образцы-свидетели к потоку на стенку корпуса: во столько раз быстрее образцы набирают флюенс.
• Горячая камераЗащищённое помещение для работы с радиоактивными материалами, где все операции выполняют манипуляторами.
• Восстановительный отжигНагрев облучённого участка корпуса намного выше рабочей температуры с выдержкой, после которого значительная часть радиационного охрупчивания уходит.

Частые вопросы

Почему облучённая сталь становится хрупкой?

Нейтроны выбивают атомы из узлов решётки, и в металле накапливаются скопления дефектов, дислокационные петли и кластеры меди с никелем, марганцем и кремнием, а фосфор уходит на границы зёрен. Металл упрочняется, но теряет пластичность, и его критическая температура хрупкости растёт.

Чем опасно охрупчивание корпуса реактора?

При аварийном охлаждении холодная вода резко остужает внутреннюю поверхность горячего корпуса, на которую действует и давление. Если металл там охрупчен и остынет ниже критической температуры хрупкости, трещина может пробежать хрупко, поэтому критическая температура хрупкости должна оставаться ниже допускаемой с запасом.

Что такое образцы-свидетели?

Комплекты образцов из того же металла и сварных швов, что и корпус, которые облучаются в самом реакторе ближе к активной зоне, чем стенка. Их извлекают по программе и испытывают в горячих камерах, а по результатам судят о состоянии корпуса на годы вперёд.

Как восстанавливают охрупчившийся корпус?

Восстановительным отжигом: участок напротив активной зоны нагревают установкой, опущенной внутрь корпуса, и выдерживают при температуре намного выше рабочей. Корпуса ВВЭР-440 отжигали примерно при 475 °C около 150 часов, первый отжиг корпуса ВВЭР-1000 в 2018 году провели при 565 °C с выдержкой 100 часов.

Что от изготовителя зависит в охрупчивании корпуса?

Чистота стали и сварочных материалов по меди, фосфору и никелю, низкая исходная критическая температура хрупкости и правильная термообработка. Кроме того, образцы-свидетели должны быть сделаны из штатного металла и контрольного сварного соединения с полной прослеживаемостью.