СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОГЛОЩАЮЩЕГО СЕРДЕЧНИКА ОРГАНА РЕГУЛИРОВАНИЯ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
METHOD OF PRODUCING NUCLEAR REACTOR ABSORPTION CORE

Изобретение относится к атомной технике, в частности к способу изготовления поглощающих сердечников с заданной (регулируемой) физической эффективностью (поглощающей способностью) из материала, поглощающего нейтроны, и предназначенных для применения в поглощающих элементах (ПЭЛ) системы управления и защиты (СУЗ) водоохлаждаемых ядерных энергетических реакторов типа ВВЭР и PWR.
Способ позволяет усовершенствовать технологический процесс изготовления поглощающих сердечников из гафния и сплавов на его основе, значительно сократить энерго- и трудозатраты при производстве поглощающих сердечников из гафния в сравнении с традиционной схемой за счет сокращения энергоемких операций при их производстве.
Гафний является одним из наиболее перспективных поглощающих материалов для органов регулирования энергетических реакторов типа ВВЭР. Расчетно-экспериментальными исследованиями радиационной и коррозионной стойкости образцов гафния было установлено, что органы регулирования на основе гафния обладают требуемым комплексом ядерно-физических характеристик и хорошими коррозионными свойствами в водяном теплоносителе [Рисованный В.Д., Клочков Е.П., Пономаренко В.Б. Гафний в ядерной технике. Димитровград, НИИАР, 1993; Бочаров О.В., Ватулин А.В., Солонин М.И., Рисованный В.Д. и др. «О целесообразности применения гафния в органах управления атомных реакторов различного назначения». Материалы 5-й отраслевой конференции по реакторному материаловедению, Димитровград, НИИАР, 1997; Ю.Ф.Конотоп, Н.П.Одейчук, B.C.Красноруцкий. «Современное состояние проблемы поглощающих нейтроны материалов и изделий на их основе для реакторов типа ВВЭР-1000. Аналитический обзор. - Харьков, ННЦ ХФТИ, 1998, 68 с.].
По сравнению с применением других поглотителей, таких как карбид бора, гафний более эффективен в процессах регулирования работы реактора, что обусловливает экономию топлива (т.е. увеличение срока его эксплуатации) и не требует захоронения отработанных поглощающих сердечников ПЭЛ, что также дает существенную экономию средств.
В последние годы заметно расширилось использование гафния и сплавов с различным содержанием гафния в стержнях регулирования реакторов PWR и BWR в таких странах как Япония [патент №62188744], Франция [патент №2636466], Швеция [патент №500610].
За рубежом разработаны составы материалов на основе гафния и способы изготовления из них поглощающих стержней с использованием порошка гафния, полученного из гранул, стружки, скрапа, в сочетании с порошком или иными по форме частицами других металлов - Япония [патент №61099519, патент №61099518], Франция [патент №2636466, патент №2790587], США [патент №3505064, патент №5118468].
В заявке WO №9936921 описан состав нейтронно-поглощающего материала, котором поглотитель получают из композитного материала, состоящего из диборида гафния и диоксида гафния. Способ состоит из двух операций: 1) ультразвуковое перемешивание порошков, распределенных в дисперсионной жидкости или пасте; 2) спекание полученной гомогенной смеси, которое осуществляют в вакууме при температуре ≥1600°С. В результате получают материал, характеризующийся высоким сопротивлением коррозии и высокой механической прочностью. Способ изготовления позволяет снизить температуру спекания композитного материала на основе диборида гафния.
4
4
4
Известен также способ изготовления таблетки из поглощающего нейтроны материала, разработанный французской фирмой «Cezus Со Europ Zirconium» [патент ЕР №0359683], в котором поглотитель нейтронов в виде таблетки изготовлен из смеси электролитического порошка гафния или гафниевой стружки и порошка карбида бора (ВС), в которой общая масса (Hf+ВС)=40-100%, при этом соотношение Hf/(Hf+ВС) будет от 0,20 до 1, возможно введение в смесь и других металлические элементов с точкой плавления выше 400°С для увеличения механической прочности. В указанном изобретении способ изготовления состоит из операций смешивания перед прессованием электролитического порошка гафния, крошки гафния и порошка карбида бора, прессования в пресс-форме в одну или более операций заполнения и прессования с возможным спеканием полученных таблеток.
Недостатком данного изобретения является увеличенное количество операций заполнения и прессования смеси порошков гафния, карбида бора и/или других металлических элементов до тех пор, пока плотность прессованной заготовки будет составлять >80% от средней плотности литой заготовки.
4
Данная технология увеличивает энергозатраты при изготовлении таблеток, что уменьшает ее эффективность и делает менее экономичной. Кроме этого в данном изобретении поглощающая способность таблетки из гафния увеличивается введением карбида бора (ВС).
4
В настоящее время получены данные [В.Д.Рисованный, А.В.Захаров, Е.М.Муралева. «Новые перспективные поглощающие материалы для ядерных реакторов на тепловых нейтронах». ВАНТ. 2005 №3. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (86), с.87-93], что ВС имеет ряд недостатков, а именно распухание под облучением, образование гелия при выгорании и газовыделение под оболочку поглощающих элементов, низкую теплопроводность, что ограничивает срок эксплуатации органов регулирования.
В качестве наиболее близкого аналога может быть принят способ изготовления поглощающего сердечника органа регулирования ядерного реактора в виде прутка, раскрытый в заявке [WO 9936921 A1, G21C 7/24, 22.07.1999]. Способ включает холодное прессование электролитического порошка гафния или смеси порошков на основе электролитического порошка гафния в брикеты, спекание в вакууме полученного брикета.
2
Заявленный способ отличается от аналога тем, что холодное прессование осуществляют путем создания гидравлического давления пуансона в цилиндрической пресс-форме с удельным усилием прессования 5,0-6,0 т/см, спекание ведут при температуре 900-1150°С в течение 30-60 мин, а затем проводят горячее выдавливание спеченного брикета при температуре 800-1150°С противодавлением через матрицу с углом конусности входного отверстия 90-100° и углом конусности перед выходным отверстием 50-70°, размещенную в контейнере, нагретом до температуры 200-800°С, с получением поглощающего сердечника в виде прутка, который подвергают термической обработке и шлифовке.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа изготовления поглощающего сердечника органа регулирования ядерного реактора диаметром от 2,0 до 12,0 мм из электролитического порошка. Предпочтительно поглотитель нейтронов должен быть изготовлен из смеси электролитического порошка гафния, полученного электролизом галогенидов гафния, который является основой в смеси с порошками других металлических элементов или их соединений. Способ изготовления должен обеспечивать технологичность материала при обработке давлением в процессе изготовления поглощающего сердечника при сокращении количества энергоемких операций, таких как электронно-лучевая и вакуумно-дуговая плавки, ковки, операций обработки давлением и промежуточных вакуумных термических обработок.
2
Для решения поставленной задачи способ изготовления поглощающего сердечника органа регулирования ядерного реактора включает холодное прессование электролитического порошка гафния или смеси порошков на основе электролитического порошка гафния в брикеты гидравлическим давлением пуансона в цилиндрической пресс-форме с удельным усилием прессования 5,0-6,0 т/см, спекание в вакууме полученного брикета при температуре 900-1150°С в течение 30-60 мин и горячее выдавливание спеченного брикета при температуре 800-1150°С противодавлением через матрицу с переменным профилем воронки с углом конусности входного отверстия 90-100° и углом конусности перед выходным отверстием 50-70°, размещенную в контейнере, нагретом до температуры 200-800°С, с получением поглощающего сердечника в виде прутка, который подвергают термической обработке и шлифовке.
В частном варианте поглощающий сердечник получают в виде прутка диаметром 2-12 мм.
В другом частном варианте поглощающий сердечник получают в виде прутка с соотношением его диаметра к длине 1,1:500.
3
В другом частном варианте за один прием горячим прессованием с противодавлением брикета получают поглощающий сердечник в виде прутка с плотностью 9,0-13,0 кг/см.
В другом частном варианте термическую обработку поглощающего сердечника проводят при температуре 850-1050°С.
В другом частном варианте используют электролитический порошок гафния ядерной чистоты.
В другом частном варианте смесь порошков на основе электролитического порошка гафния содержит электролитический порошок гафния ядерной чистоты и электролитический порошок циркония ядерной чистоты при объемном соотношении порошка циркония к порошку гафния от 1:50 до 1:5.
В другом частном варианте смесь порошков на основе электролитического порошка гафния содержит электролитический порошок гафния ядерной чистоты и порошок титаната диспрозия, при объемном соотношении порошка гафния к порошку титаната диспрозия от 10:1 до 10:4.
В другом частном варианте смесь порошков на основе электролитического порошка гафния содержит электролитический порошок гафния ядерной чистоты и порошок гафната диспрозия, при объемном соотношении порошка гафния к порошку гафната диспрозия от 10:1 до 10:4.
Решение данной технической задачи связано с разработкой высокоэффективного и энергосберегающего технологического процесса изготовления высокоплотных прутков из электролитического порошка гафния для ПЭЛ органов регулирования энергетических реакторов типа ВВЭР взамен трудоемкой «традиционной» технологической схемы производства прутков из гафния.
Традиционная технология предусматривает многопередельный маршрут изготовления прутков из гафния применением энергоемких операций, включающих: холодное прессование порошка, спекание полученных брикетов, формирование электрода из спеченных брикетов, выплавку слитков (ЭЛЛ и/или ВДП), ковку полученного слитка, механическую обработку слитка, нагрев и горячее выдавливание слитка в защитной оболочке для получения заготовки, удаление оболочки травлением, холодную прокатку прутков в 3 перехода с 4-мя отжигами в вакууме и вспомогательными операциями обезжиривания и травления после каждой операции деформирования заготовки и промежуточного отжига.
Предлагаемый способ позволяет исключить операции электронно-лучевой плавки (ЭЛП), вакуумно-дуговой плавки (ВДП) и ковки слитка, которые являются энергоемкими и трудоемкими процессами, сократить количество операций обработки давлением.
При изготовлении изделий из гафния или из сплавов на основе гафния из-за их высокой химической активности и ограниченной пластичности на технологических переделах, связанных с холодной деформацией, требуется применять большое количество дополнительных энергоемких операций, таких как высокотемпературные термообработки, что заметно влияет на стоимость изделия.
В предлагаемом изобретении технологическая схема изготовления поглощающих сердечников, предназначенных к использованию в качестве сердечников ПЭЛ в составе поглощающей сборки (ПС) системы управления и защиты (СУЗ) водоохлаждаемых ядерных реакторов на тепловых нейтронах типа ВВЭР и PWR, включает засыпку электролитического порошка гафния ядерной чистоты или смеси порошков на основе электролитического порошка гафния с различной поглощающей способностью в разъемную пресс-форму простейшей конструкции (с цилиндрической внутренней полостью матрицы) на расчетную высоту; холодное прессование (формование) порошка в разъемной пресс-форме односторонним прессованием, спекание в вакууме холоднопрессованных брикетов, горячее выдавливание с противодавлением спеченных брикетов в матрице специальной конструкции, термообработку на конечном размере полученного прутка и возможную бесцентровую шлифовку.
При разработке технологического процесса производства прутков методами порошковой металлургии учитывалось, что формуемость порошка гафния зависит от формы, размеров и состояния поверхности частиц. Электролитический порошок гафния, имеющий дендритную форму и самый широкий диапазон размеров частиц, при холодном прессовании имеет наилучшую насыпную плотность и наилучшее сцепление частиц порошка за счет их формы (зацепление выступов и ответвлений). Это позволяет получать из него прочные неосыпающиеся прессованные заготовки за счет сильного механического сцепления частиц порошка, которое пропорционально контактной поверхности частиц и зависит от давления прессования.
Смесь, состоящую из порошков различных металлов и их соединений, перед прессованием смешивают для получения первоначальной смеси, в которой количество добавок, вводимых в электролитический порошок гафния, определяется отношением порошка электролитического гафния к содержанию порошка вводимой добавки.
Поглощающая способность материала прутковых сердечников ПЭЛа легко регулируется изменением состава исходной порошковой смеси. Это позволяет обеспечить требуемую поглощающую способность сердечника по длине (высоте) органа регулирования в зависимости от порядка размещения прутковых сердечников в ПЭЛ, что позволяет поддерживать реактивность на необходимом уровне во время работы ядерного реактора.
Поглощающие материалы на основе порошка гафния обладают высокой радиационной стойкостью, однако они могут иметь различную физическую эффективность поглощения. Для снижения физической эффективности (поглощающей способности) поглощающих сердечников к порошку электролитического гафния добавляют порошок циркония, при этом объемное соотношение порошка циркония к порошку гафния составляет от 1:50 до 1:5.
2
2
5
2
2
3
2
2
3
Для повышения физической эффективности (поглощающей способности) к порошку гафния добавляют порошки редкоземельных элементов, например диспрозия, в виде их соединений с титаном, например титанат диспрозия (DyTiO) или с гафнием, например гафнат диспрозия (HfO-DyO), представляющего собой смесь порошков оксидов HfO и DyO, в т.ч. спеченную или сплавленную. Объемное содержание вводимой добавки в электролитический порошок гафния в виде титаната диспрозия или гафната диспрозия составляет от 10:1 до 10:4.
2
2
По предлагаемому изобретению холодное прессование исходного порошка электролитического гафния в брикеты осуществляют гидравлическим давлением пуансона на исходный порошок с удельным усилием прессования около 5,0 т/см (50 кг/мм) в цилиндрической пресс-форме, холодным прессованием обеспечивается получение неосыпающейся прессовки с заданным интервалом пористости.
Для уплотнения брикета, а также для обеспечения необходимых физико-химических свойств, проводят спекание холоднопрессованного брикета в диапазоне температур 900-1150°С, время нагрева зависит от размеров брикета. Температура спекания позволяет получать прочную плотную заготовку, свойства которой приближаются к свойствам компактного (беспористого) материала.
3
Холоднопрессованные брикеты после спекания в вакууме при температуре 1050°С в течение 60 мин имеют высокую плотность - 11,05 г/см, что составляет ~85% от теоретической плотности [ГОСТ 18898-89].
Остаточную пористость спеченного брикета устраняют горячим выдавливанием с механической схемой противодавления, обеспечиваемого конструкцией матрицы, в результате чего под действием температуры и давления изолированные микропоры в материале прутка практически исчезают. Горячее выдавливание осуществляют при температуре и давлении, которые являются достаточными для прохождения процессов диффузии атомов и вакансий в материале прутка, что позволяет порам полностью схлопываться, а какие-либо границы раздела, образованные при схлопывании, сцепляются вместе.
В таблице 1 представлены технологические режимы и параметры горячего выдавливания спеченных брикетов из электролитического порошка гафния.
Высокоплотные брикеты диаметром 34,5 мм высотой 100 мм после спекания использовали в качестве заготовок для получения горячим выдавливанием прутковых сердечников ПЭЛ. Спеченные брикеты перед выдавливанием помещают в стальную и медную фольги толщиной 0,1 мм и 0,3 мм, соответственно.
Для увеличения результирующего напряжения сжатия в схеме напряженного состояния, способствующего дополнительному уплотнению металла прутка в процессе горячего выдавливания спеченного брикета, а также для предотвращения образования трещин в изделии, горячее выдавливание осуществляют на гидравлическом прессе с противодавлением через матрицу, помещенную в контейнер, предварительно нагретый до температуры 200-800°С. Профиль матричной воронки имеет специальную конфигурацию, которая позволяет создавать дополнительное увеличение напряжений сжатия, обусловленное подпирающими силами (противодавлением) у выхода металла из обжимающей части пластической зоны, т.е. применялась матрица с двойным конусом так, что угол конусности (полуугол матричной воронки) при входе в матрицу составляет 45-50°, а угол конусности перед выходным отверстием составляет 25-35°. Горячее выдавливание заготовки с противодавлением осуществляют на гидравлическом трубопрутковом прессе при температуре 800-1150°С.
1
2
Эскиз матрицы с переменным профилем воронки, используемой для выдавливания спеченных брикетов из электролитического порошка гафния и/или смеси порошков на основе гафния, показан на фиг.1 (вид сверху) и фиг.2 (вид сбоку в разрезе), где угол конусности входного отверстия α составляет 90-100° и угол конусности перед выходным отверстием αсоставляет 50-70°.
-1
Разная конусность обеспечивает неравенство скоростей деформации (, c) на входе () и выходе () матричной воронки - в обжимающей части пластической зоны, причем скорость деформации на входе должна быть больше, чем на выходе, т.е. . Указанное неравенство скоростей деформации на входе и выходе из матричной воронки обеспечивается изменением профиля последней за счет уменьшения угла в той части матричной воронки, которая заканчивается выходным отверстием.
Скорость деформации, зависящая от скорости движения прессового инструмента (пуансона), угла матричной воронки и коэффициента вытяжки определялась известной формулой:
ист.
пр.
где ν - скорость истечения, равная произведению ν·µ, мм/с;
пр
ν - скорость прессования (скорость движения пуансона), мм/с;
µ - коэффициент вытяжки;
м
α - полуугол матричной воронки, градус;
пр.
D - диаметр выдавливаемого прутка, мм.
Коэффициенты вытяжки при горячем выдавливании с противодавлением спеченных брикетов из порошкового гафния составили от 7,0 до 13,7, что соответствует интервалу степеней деформации от 85,7 до 92,7%. С увеличением коэффициента вытяжки размер и количество пор в поперечном сечении прутка уменьшаются.
Полученные горячим выдавливанием с противодавлением прутки диаметром 10,0-12,0 мм имели относительную плотность 85-88,78% от теоретической плотности гафния, что обеспечивало высокие значения физических и механических свойств порошкового изделия. Прутки имели плотную, малопористую мелкозернистую структуру.
Внешний вид прутков после горячего выдавливания и удаления защитной оболочки не отличался по качеству от внешнего вида прутков, полученных по «традиционной» технологии. На поверхности прутков не обнаружено дефектов в виде трещин и задиров, благодаря применению горячего выдавливания с противодавлением через матрицу со специальной конфигурацией профиля матричной воронки.
Наличие незначительного количества изолированных пор в металле прутка не оказывало сильного влияния на пределы прочности и текучести порошковых изделий. Оценку эксплуатационной пригодности порошковых изделий в виде прутка определяли механическими испытаниями на сжатие при комнатной температуре испытания [ГОСТ 25503-97].
Механические характеристики прутков, полученных по предлагаемому изобретению, диметром 12 мм и диаметром 10 мм после вакуумного отжига представлены в таблице 2 в сравнении с механическими характеристиками образцов прутков, полученных по «традиционной» технологии.
Результаты механических испытаний показали, что прутки, изготовленные из порошка электролитического гафния или смеси порошков на основе порошка гафния по предлагаемому изобретению, по механическим свойствам стержни не уступают изделиям из литых металлов или сплавов, изготовленных по «традиционной» технологической схеме.
Изготовленные по предлагаемому изобретению прутки из порошка гафния или смеси порошков гафния с порошками других металлов и/или их соединений подвергались термической и финишной механической обработке (бесцентровой шлифовке).
Предлагаемая технологическая схема изготовления поглощающих сердечников ПЭЛ является высокоэкономичной и энергосберегающей, что обуславливает уменьшение стоимости компонентов ПЭЛ из гафния.
Предлагаемый способ горячего выдавливания с противодавлением с использованием матрицы с переменным профилем воронки обеспечивает получение прочных, высокоплотных, без нарушения сплошности стержневых элементов ПЭЛ, механические свойства которых характеризуются более высоким уровнем напряжения разрушения как в горячедеформированном состоянии, так и после вакуумного отжига по сравнению с образцами прутков, изготовленных по «традиционной» технологии.
0,2
сж.
Отношение предела текучести к пределу прочности (σ/σ) прутков, изготовленных по предлагаемому изобретению, находилось в пределах от 0,33 до 0,37, а по традиционной технологии - 0,65.
Путем изменения состава порошковой исходной смеси на основе электролитического порошка гафния легко осуществлять регулирование поглощающей способности поглощающих сердечников ПЭЛ. Поглощающие сердечники, изготовленные по предлагаемому изобретению, размещают в защитной оболочке в определенных по высоте местах, в соответствии с экспериментальными результатами или расчетами эффективности поглощения нейтронов, что создавало условия для оптимальной скорости их выгорания.
Пример осуществления способа.
2
Проводят подготовку порошковой смеси на основе электролитического порошка гафния, гранулометрический состав которого находится в пределах от 63 мкм до 160 мкм, с преобладанием фракции 110 мкм; заполнение порошком разъемной пресс-формы простейшей конструкции; прилагаемое гидравлическое давление при одностороннем холодном прессовании составляет 53 кгс/мм. Полученные холоднопрессованные брикеты имели диаметр 34,5 мм, высоту - от 50 мм до 150 мм. Относительная плотность прессованных брикетов составляла ~65%. Полученные брикеты подвергали спеканию в защитной оболочке при температуре 1050°С в течение 60 мин. После спекания относительная плотность брикета увеличилась и составила ~80% от теоретической плотности гафния. Спеченные брикеты подвергают горячему выдавливанию с противодавлением на гидравлическом трубопрутковом прессе ПА653Р усилием 700 т.с. при температуре 900°С из контейнера, нагретого до 450°С.
Коэффициенты вытяжки спеченных брикетов при горячем выдавливании с противодавлением в один прием составляют от 7,0 до 13,7, что соответствует интервалу степени деформации от 85,7% до 92,7%. Метод горячего выдавливания с противодавлением позволяет изготавливать стержни диаметром 2-12 мм. Плотность полученных прутков после горячего прессования в один прием с противодавлением составляет от 85% до 88,78%.
В результате осуществления данного изобретения возможно получение экономически целесообразных эффективных технических решений, которые позволят изготавливать поглотитель нейтронов из электролитического порошка гафния или смеси порошков на основе гафния в виде компактных стержней с легко регулируемой поглощающей способностью, определяемой компонентным составом и соотношением составляющих порошковой смеси на основе гафния, предназначенных для использования в регулирующих стержнях систем управления и защиты ядерных реакторов, и существенно снизить себестоимость поглощающего элемента.
Таблица 2
Механические свойства прутков при испытании на сжатие при комнатной температуре
Технология
Диаметр прутка, мм
Предел текучести, σ<sub>0,2</sub>, кгс/мм<sup>2</sup>
Напряжение разрушения, σ<sub>сж</sub>, кгс/мм<sup>2</sup>
Отношение <img file="00000007.tif" he="12" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" />
Деформация до разрушения, %
Примечание
ПредлагаемаяПорошок (прессование, спекание, выдавливание, вакуумный отжиг)
10
55,7 (55,0-56,0)
149,3 (146,0-152,0)
0,37
26,0
отжиг 900°С, 60 мин
63
158
19
б/о
12
49 (48,0-51,0)
148,7 (142,0-153,0)
0,33
28,0
отжиг 900°С, 60 мин
59
144
16
б/о
ТрадиционнаяСлиток (ковка, выдавливание, волочение за 3 перехода, 4 вакуумных отжига)
6
64,9 (60,5-67,5)
100,4 (84,5-111,0)
0,65
18,2
отжиг 900°С, 60 мин