СПОСОБ ИСПЫТАНИЙ ЦИРКОНИЕВЫХ СПЛАВОВ В ПАРОВОДЯНОЙ СРЕДЕ
METHOD TO TEST ZIRCONIUM ALLOYS IN STEAM AND WATER MEDIUM

Изобретение относится к области испытаний материалов, в частности к испытаниям на коррозионную стойкость и водородостойкость циркониевых сплавов, разрабатываемых и используемых в качестве материалов элементов активной зоны легководных ядерных реакторов, в условиях, приближенных к реакторным. Изобретение может быть использовано для дореакторных испытаний циркониевых сплавов и для исследования процессов их взаимодействия с пароводяной средой в активной зоне легководного реактора, включая изучение захвата ионов водорода различных энергий и доз облучения в циркониевые сплавы в пароводяной среде при повышенной температуре и влияния ионного облучения на коррозию циркониевых сплавов в данной среде.
Известен способ коррозионно-термических испытаний длинномерных нефрагментированных ТВЭЛов, в том числе с оболочками из циркониевых сплавов (SU 1783383 A1, G01N 17/00, G01N 3/18), в котором участки испытуемого ТВЭЛа, помещенного в кварцевую камеру, подвергают воздействию нагрева, воды и водяного пара под давлением.
Данный способ характеризуется крайне низкой производительностью испытаний в связи с необходимостью последовательного проведения испытаний каждого ТВЭЛа в отдельности и невозможностью одновременного испытания образцов различных циркониевых сплавов. Кроме того, способ характеризуется неоправданно большим расходом дорогостоящих материалов ТВЭЛов.
Наиболее близким к изобретению является способ определения коррозионной стойкости циркониевых сплавов для ядерных реакторов (JPH 01250736 A, G01N 17/00, G21C 17/06). Способ заключается в нагреве и выдержке образцов из циркониевых сплавов в пароводяной среде в различных температурных режимах: при температуре в диапазоне 300-400°C - температурном диапазоне активной зоны легководного ядерного реактора; при температуре в диапазоне 490-530°C для ускоренного определения склонности циркониевого сплава к нодулярной коррозии.
Общим недостатком обоих способов-аналогов является то, что они не позволяют достаточно полно моделировать процессы воздействия агрессивной среды на циркониевые сплавы в активной зоне реактора, поскольку не включают в себя воздействие на циркониевые сплавы ионов водорода, которое происходит в процессе работы реактора за счет частиц, рождающихся в результате радиолиза воды.
Данный недостаток существенно уменьшает возможность использования получаемой данным способом информации для выработки заключений о поведении исследуемых циркониевых сплавов в активной зоне легководного реактора в процессе его работы.
Техническим результатом изобретения является приближение условий испытаний образцов циркониевых сплавов в пароводяной среде к условиям активной зоны легководного реактора, что позволяет повысить достоверность прогнозируемой картины поведения исследуемых циркониевых сплавов в активной зоне легководного реактора в процессе его работы, составленной на основе результатов данных испытаний.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе, включающем в себя выдержку образцов циркониевых сплавов в пароводяной среде в температурном диапазоне активной зоны легководного реактора, согласно изобретению, в процессе выдержки образцов в пароводяной среде создают газоразрядную плазму в парах воды, после чего облучают образованными при этом положительно заряженными ионами водорода образцы путем подачи на них отрицательного электрического потенциала относительно плазмы.
В частном случае, для обеспечения возможности равномерного по поверхности и контролируемого по интенсивности облучения образцов ионами водорода образцы облучают положительно заряженными ионами водорода плазмы тлеющего разряда в парах воды. В режиме диффузного горения тлеющий разряд позволяет получить равномерно распределенную плотность тока положительных ионов по поверхности электрода, находящегося под отрицательным электрическим потенциалом относительно плазмы.
В частном случае облучения образцов положительно заряженными ионами водорода плазмы тлеющего разряда в парах воды для обеспечения стабильного диффузного горения тлеющего разряда в процессе облучения образцов в пароводяной среде создают турбулентные потоки пара. Создание турбулентного потока пара в области разряда приводит к интенсификации конвективного теплообмена, что позволяет предотвратить развитие тепловых неустойчивостей в плазме и за счет этого исключить возможность возникновения искровых пробоев, превращающих процесс облучения в неконтролируемый.
Пример конкретной реализации способа
На фиг.1 представлена схема устройства для реализации предлагаемого способа, где 1 - испытательная камера, 2 - бойлер с водой, 3 - перегреватель пара, 4 - конденсатор пара, 5 - исследуемые образцы циркониевых сплавов, 6 - анод, 7 - термопарный датчик температуры.
16
-2
-1
19
-2
22
-2
Способ реализуется следующим образом. Образцы 5 сплава Э110 помещают в испытательную камеру 1. В бойлере 2 нагревают воду до температуры кипения. Пар при температуре 100°С поступает в испытательную камеру 1. В испытательной камере 1 пар нагревают до температуры 400°C с помощью перегревателя пара 3. Температуру пара в испытательной камере 1 контролируют с помощью термопарного датчика 7. Давление пара в испытательной камере 1 близко к атмосферному. Между образцами 5, являющимися катодами, и анодом 6, расположенными на расстоянии 0.5 см друг от друга, подают разность потенциалов, равную 15 кВ. В результате происходит пробой газового промежутка между ними и образование в нем плазмы тлеющего разряда в парах воды. Образцы 5, являясь катодами, находятся под отрицательным потенциалом относительно плазмы и облучаются положительно заряженными ионами водорода. Ток разряда ~7-8 мА, плотность потока ионов на образцы ~2×10 см сек. За время облучения 15 мин набирается доза облучения, равная 1.7×10 см, что соответствует расчетной дозе облучения быстрыми протонами деталей в активной зоне легководного реактора при флюенсе нейтронов 10 см. Перегретый пар, проходя через испытательную камеру 1, попадает в конденсатор пара 4 - участок трубопровода, охлаждаемый водой. В конденсаторе пара 4 пар охлаждается, конденсируется и образовавшаяся вода стекает обратно в бойлер, замыкая тем самым пароводяной цикл.
Таким образом, из вышеуказанного следует, что предлагаемый способ позволяет приблизить условия испытаний образцов циркониевых сплавов в пароводяной среде к условиям активной зоны легководного реактора, поскольку включает в себя облучение циркониевых сплавов ионами водорода, которое происходит в процессе работы реактора за счет частиц, рождающихся в результате радиолиза воды. Тем самым, использование данного способа позволяет повысить достоверность прогнозируемой картины поведения исследуемых циркониевых сплавов в активной зоне легководного реактора в процессе его работы, составленной на основе результатов внереакторных испытаний.