ЗАЩИТНОЕ ПОКРЫТИЕ ВНУТРИРЕАКТОРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ОТ РАЗРУШЕНИЯ
PROTECTIVE COATING INSIDE REACTOR ELEMENTS AGAINST DESTRUCTION

Изобретение относится к атомной энергетике, а именно к технологическим средствам защиты элементов активной зоны ядерных реакторов канального и корпусного типа от разрушения, и может быть использовано для подавления дебриз-эффекта, фреттинг и локальной коррозии тепловыделяющих элементов (твэл), тепловыделяющих сборок (ТВС), включая дистанционирующие решетки (ДР), технологических каналов (ТК), включая переходные соединения разнородных металлов (переходники).
Изобретение относится к технологии защиты элементов активной зоны ядерных реакторов канального и корпусного типа от разрушения в результате коррозии и механического истирания путем нанесения защитных покрытий. Прежде всего, для повышения работоспособности тепловыделяющих элементов, технологических каналов, тепловыделяющих сборок.
Тепловыделяющие элементы активной зоны большинства российских ядерных реакторов выполнены из сплавов циркония с ~1% ниобия (на зарубежных реакторах - из циркалоя). Помимо сплавов циркония используются сплавы алюминия и стали. В основном это достаточно пластичные, имеющие низкую твердость материалы. Твэлы объединяются в тепловыделяющие сборки с помощью дистанционирующих решеток из стали или сплава циркония. При эксплуатации ТВС различные механические загрязнения теплоносителя, а также дисперсные частицы продуктов коррозии, более твердые, чем основной металл, механически воздействуют на поверхность твэла (твэлов), в результате чего нарушается защитная окисная пленка, интенсифицируются коррозионные процессы, а также происходит чисто механический износ тонкой оболочки твэла - дебриз-эффект.
Сокращение примесей крупных частиц достигается установкой сетчатых фильтров (Strasser A. Experiments, Mechanisms and Management. 26-29 May 1992, Dimitrovgrad, Russia), однако известные способы не могут полностью исключить дебриз-эффект, вызванный механическим взаимодействием твердых частиц из теплоносителя и оболочек твэлов.
При эксплуатации сборок могут происходить некоторые деформационные процессы в местах контакта твэлов в местах крепления, прежде всего в дистанционирующих решетках. Под воздействием потока теплоносителя происходит вибрация твэлов, в результате чего реализуется фреттинг-коррозия (Смирнов А.В. Марков Д.В. Поленок B.C. и др. Исследование причин разгерметизации штатных твэлов ВВЭР и РБМК. Научно-технический семинар "Модернизация, совершенствование и повышение эксплуатационной надежности ядерного топлива РБМК", с.39-48. 25-27 октября 2000 г., г.Электросталь).
Помимо этого в канальных реакторах типа РБМК, в которых не подавлен радиолиз теплоносителя, под воздействием образующихся окислителей протекают процессы локальной коррозии как твэлов, так и технологических каналов (ТК). Образующиеся окислы циркония совместно с продуктами коррозии стальных конструкций циркуляционного контура, проходя через активную зону, приводят к механическому истиранию защитного окисного слоя на поверхности твэлов.
Решением является защита поверхностей, прежде всего оболочек твэлов, от истирания под воздействием вибраций в системе оболочка твэла - дистанционирующая решетка (фреттинг-коррозия), либо в системе оболочка твэла - механическая частица, застрявшая в дистанционирующей решетке (дебриз-эффект), а также исключение контакта агрессивной среды, которой является теплоноситель, при неподавленном радиолизе воды, с поверхностью оболочки твэла.
Эти три задачи можно решить путем нанесения на поверхности внутриреакторных конструкций, таких как твэлы, ТВС и ТК, а также их конструкционных элементов - ДР, переходников и т.п. защитных покрытий.
Известен способ защиты внутриреакторных конструкций - стальных поверхностей оборудования контуров ядерного реактора - путем нанесения никель-фосфорного покрытия (авторское свидетельство 1028091, БИ 22, 1989 г.). Предложенное покрытие имеет твердость выше твердости циркония, но это покрытие в случае нанесения на циркониевые поверхности имеет существенный недостаток, оно имеет с цирконием слабую адгезию, а при облучении в нейтронном потоке никель образует радиоактивный кобальт-58, который ухудшает радиационную обстановку контура реактора.
Наиболее близким техническим решением к заявленному является «Способ защиты внутриреакторных элементов от разрушения» (патент РФ №2195027. Дата подачи заявки: 21.06.2001. Дата публикации: 20.12.2002). В этом способе защита достигается тем, что на поверхность, или часть поверхностей твэла, и/или ТВС, и/или ТК наносят защитное покрытие из материала с микротвердостью, превышающей микротвердость конструкционных материалов контура ядерных реакторов и их окислов.
Существенным недостатком предложенного способа является различие температурных коэффициентов покрытие-основа, а также напряженность покрытий и недостаточная адгезия предлагаемых в указанном способе высокотвердых покрытий для конструкционных сплавов (прежде всего, циркониевых). Таким образом, применение высокотвердых покрытий, предложенных в названном способе, приводит к проблемам низкой адгезии и низкой прочности защитных покрытий в условиях эксплуатации реакторов, особенно при термоциклах, связанных с загрузкой-выгрузкой-перегрузкой ТВС, изменением мощности реактора, а также с плановыми регламентными и внеплановыми работами на реакторах, связанными с термоциклами конструкционных элементов.
Решением поставленной задачи обеспечения необходимой прочности и пластичности покрытия, в том числе при термоциклах, является использование в его составе подслоя, обладающего промежуточной твердостью и температурными характеристиками, между конструкционным материалом и твердым слоем покрытия, а также замена твердого слоя покрытия многослойной структурой, обладающей как необходимой твердостью, так и достаточной пластичностью в условиях термоциклических и вибрационных нагрузок в реакторе.
Технический результат достигается тем, что для защиты внутриреакторных элементов от разрушения на их поверхность или часть поверхности наносят покрытие, состоящее из подслоя и, по меньшей мере, одного защитного слоя, при этом микротвердость защитного слоя выше микротвердости подслоя, а микротвердость подслоя ниже микротвердости окисла конструкционного материала и имеет промежуточное значение между микротвердостью защитного слоя и микротвердостью конструкционного материала, причем возможно, что защитный слой покрытия выполнен в виде многослойной структуры, а в качестве материалов покрытия используются металлы и соединения на основе Al, Ti, Zr, Cr, Cu, Nb, Mo, W, C, N, O, B отдельно или совместно в различном сочетании.
Изобретение реализуется следующим образом.
В вакуумную камеру, снабженную системой откачки, в подвижной оснастке размещается защищаемое изделие (подложка) таким образом, чтобы его поверхность продвигалась в потоке ионов, образуемых размещенными в той же камере протяженными и/или точечными источниками ионов металлов (например, титан или сплав титана и алюминия, менее твердого, чем основной защитный слой покрытия - нитрид и менее твердого, чем окисел конструкционного материала - оксид циркония).
На подложку подается электрическое напряжение, обеспечивающее необходимое ускорение (энергию) ионов при бомбардировке ими поверхности для ионной очистки, создания подслоя и защитных твердых слоев.
В объем камеры управляемым натекателем подается реакционный газ (например, азот), для формирования твердых соединений ионным методом (например, азот для формирования нитрида с микротвердостью, превышающей микротвердость конструкционного материала - сплава циркония и лежащей в диапазоне микротвердости от значения конструкционного материала - сплава циркония и выше).
-3
-4
Изобретение реализуется за три технологические операции, выполняемые последовательно в одной вакуумной камере: сначала поверхность подложки подвергается ионной бомбардировке при напряжениях порядка 1-2 кВ, после чего напряжение снижается до величин порядка 0,1 кВ и выполняется осаждение подслоя, затем в камеру подается реакционный газ при давлениях порядка 10-10 мм рт.ст. и формируется один или несколько слоев защитного покрытия (например, нитрида титана или композиции нитридов титана-алюминия, с микротвердостью, превышающей микротвердость конструкционного материала - сплава циркония и лежащей в диапазоне микротвердости от значения конструкционного материала - сплава циркония и выше).
Многослойная структура создается, например, при последовательном включении нескольких ионных источников, генерирующих ионные потоки разных металлов, такими металлами могут быть, например, титан и цирконий, причем очистка выполняется ионами титана, а затем наносятся слои нитридов титана и циркония.
Многослойная структура (например, из нитридов титана и циркония) включает слои (например, из нитридов титана и циркония), имеющие большую, чем материал конструкции (сплав циркония), но меньшую, чем окисел (оксид циркония), микротвердость, чем обеспечивается меньшая напряженность в покрытии и лучшая адгезия покрытия при термоциклах.