СПОСОБ ЗАЩИТЫ ВНУТРИРЕАКТОРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ОТ РАЗРУШЕНИЯ
PROTECTION METHOD OF IN-CORE ELEMENTS AGAINST DESTRUCTION

Изобретение относится к атомной энергетике, а именно к технологическим способам 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).
Способ 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, титана 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 - дистанионирующая 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.
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 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.
Кроме того, недостатком указанного способа является склонность внутриреакторных элементов (прежде всего циркониевых) к поглощению кислорода и образованию устойчивых окисных пленок между подслоем и основным материалом детали, снижающих адгезионные свойства покрытий.
Решением указанной задачи достижения адгезии является разрушение окисной пленки в ходе формирования покрытия и формирование промежуточного слоя с переходной зоной внедрения материала покрытия в основной материал, когда структура покрытия будет состоять из переходной зоны «материал основы»-«подслой», а затем будут наноситься защитные слои покрытия.
Такое покрытие может формироваться сочетанием режимов ионной бомбардировки и осаждения при нанесении подслоя методами ионно-плазменного напыления в вакууме, а снижение внутренних напряжений в покрытии и повышение его плотности может обеспечиваться сочетанием высокоэнергетичных дуговых ионно-плазменных методов при формировании переходной зоны и подслоя и магнетронных методов нанесения для основных слоев.
Технический результат достигается тем, что для защиты внутриреакторных элементов от разрушения выполняют нанесение покрытия на поверхность или часть поверхности защищаемого внутриреакторного элемента. При этом в покрытии сначала наносят подслой из материала, менее твердого, чем основной защитный слой покрытия, и менее твердого, чем окисел конструкционного материала защищаемого внутриреакторного элемента, и затем напыляют, как минимум, один защитный слой из материала с микротвердостью, превышающей микротвердость конструкционного материала защищаемого внутриреакторного элемента и превышающей или равной значению микротвердости названного конструкционного материала, причем между подслоем и основным конструкционным материалом защищаемого внутриреакторного элемента формируют переходную зону из материала подслоя, внедренного в основу вышеназванного конструкционного материала, обеспечивающую высокую адгезию покрытия к защищаемой поверхности. При этом подслой покрытия может быть выполнен вакуумным ионно-плазменным дуговым способом, а слои основного покрытия - магнетронным способом, а в состав подслоя и слоев покрытия могут входить сплавы, нитриды, оксиды следующих элементов Cr, Al, Zr, Ti, W, Mo, Ni, Nb одновременно или в сочетаниях, а переходную зону из внедренного в основу материала подслоя могут формировать толщиной не более сотен нанометров.
Способ осуществляется следующим образом.
В вакуумную камеру (фиг.1), снабженную системой откачки, магнетронными и дуговыми источниками ионов металлов (1), источником высокого напряжения U, отрицательным электродом соединенного с подложкой, а положительным - с корпусом камеры, в подвижной оснастке размещается защищаемое изделие (подложка (2)) 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).
п
иб
На подложку подается изменяющееся электрическое напряжение, закон изменения которого носит периодический характер, а крайние значения соответствуют режимам осаждения U (~0,1 кВ) и ионной бомбардировки U (1-20 кВ), как показано на фиг.2. Этим обеспечивается необходимое ускорение (энергия) 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 выше микротвердости конструкционного материала - сплава циркония и выше).
В качестве источников (1) используются дуговые и магнетронные источники с катодами/мишенями из материалов, используемых в покрытии.
-3
-4
Способ реализуется за три технологические операции, выполняемые последовательно в одной вакуумной камере: сначала поверхность подложки (2) подвергается ионной бомбардировке при напряжениях порядка 1-2 кВ, после чего напряжение изменяется до значений осаждения, периодически поднимаясь до значений бомбардировки, как показано на фиг.2. В результате формируется переходная зона, когда часть материала внедряется в материал подложки, а часть наносится в виде подслоя. После окончания формирования переходной зоны напряжение на подложке 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., выключаются дуговые и включаются магнетронные источники 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 выше микротвердости конструкционного материала - сплава циркония).
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.