ЗАМЕДЛИТЕЛЬ НЕЙТРОНОВ НА ОСНОВЕ ГИДРИДА ЦИРКОНИЯ
NEUTRON MODERATOR ON BASIS OF ZIRCONIUM HYDRIDE

Предлагаемое изобретение относится к материалам, используемым в качестве замедлителей нейтронов в ядерном реакторе.
Известны материалы на основе гидрида циркония, которые используются в качестве замедлителей нейтронов, а также для хранения и аккумуляции водорода.
Известен материал на основе гидрида циркония, содержащий в своем составе Мо, Та, Nb, Ni, В, Cu и др. [US №4216110, 1980].
Недостатком этого материала является невысокая коррозионная устойчивость в окислительной среде и большие потери водорода при высоких температурах.
Известен материал на основе гидрида циркония, содержащий в своем составе один или несколько элементов из группы: Ni, Be, Se и др. от 0,01 до 10% в сумме [US №216110, 1966], выбранный в качестве прототипа.
Однако недостатком этого материала является низкая коррозионная устойчивость в окислительной среде и большие потери водорода при высоких температурах.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание замедлителя нейтронов, содержащего в качестве основы гидрид циркония, который обладал бы более высокой коррозионной устойчивостью и максимально удерживал бы в своем составе водород при высоких температурах.
Для решения поставленной задачи в известный материал на основе гидрида циркония, содержащий алюминий, дополнительно введен никель при следующем соотношении компонентов, вес.%:
алюминий
0,1-0,3
никель
0,5-1,0
гидрид циркония
Остальное
Основой заявляемого материала является гидрид циркония «δ» и «ε» фаз, содержащий 1,4-2,0% водорода.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими таблицами.
Для определения оптимального состава материала было выплавлено 27 сплавов циркония с различным содержанием алюминия и никеля (таблица 1).
Каждый сплав выплавляли отдельно в дуговой вакуумной печи с расходуемым электродом, который содержал указанное в таблице 1 количество легирующих добавок.
Для более равномерного распределения легирующих элементов применяли двойной переплав слитков. Полученные слитки прессовали отдельно друг от друга в медной оболочке при температуре 700°С в прутки диаметром 12 мм со степенью обжатия 98-99%. Прутки разрезали на заготовки и при температуре 900°С насыщали водородом до необходимого содержания 1,4-2,0% по отработанной методике.
Результаты испытаний на коррозию в окислительной атмосфере, проведенных при температуре 500-800°С продолжительностью от 500 до 2000 часов, приведены в табл.2 и 3.
Потери водорода в исследованных материалах в процессе испытаний, приведены в табл.3.
Полученные результаты показали, что наименьшие потери водорода при высоких температурах имеет гидрид циркония, содержащий 0,7% Ni и 0,1% Al.
Как видно из табл.2 и 3, величины коррозии и потери водорода заявляемого материала значительно меньше, чем те же величины известных гидридных материалов.
Оптимальная добавка никеля находится в пределах 0,5-1,0 вес.% и при уменьшении или увеличении количества никеля коррозионные свойства материала ухудшаются. Наилучшие свойства заявляемый материал имеет при одновременном сочетании легирующих добавок алюминия и никеля: алюминия в пределах 0,1-0,3 вес.% и никеля в пределах 0,5-1,0 вес.%.
Технология выплавки, прессования и гидрирования предложенного материала не менялась по сравнению с используемой для известного материала.
Пример осуществления изобретения.
В дуговой вакуумной печи с расходуемым электродом выплавлен сплав циркония с 0,7 вес.% никеля и 0,2 вес.% алюминия диаметром 150 мм. После обдирки слитка до диаметра 130 мм его прессовали в прутки со степенью обжатия 95%. Прутки разрезали на заготовки, травили, загружали в автоклав и насыщали водородом по стандартной методике гидрирования до содержания водорода 1,85 вес.%. После гидрирования образцы испытывали на коррозию в окислительной среде и на потерю водорода при температуре 700°С. В результате испытаний сплав с указанным содержанием легирующих добавок показал наилучшие результаты.
Таблица 1.
Содержание алюминия и никеля в выплавленных сплавах циркония
Содержание никеля, %
0
0,2
0,3
0,4
0,5
0,7
1,0
2,6
Содержание алюминия, %
0
X
X
X
0,1
X
X
X
X
0,2
X
X
X
X
0,3
X
X
X
0,5
X
X
X
1,0
X
X
X
1,9
X
X
Таблица 2.
Коррозия образцов легированного гидрида циркония за время испытаний 500 час
№№ пп
Содержание легирующих элементов, вес.%
Коррозия образцов в мг/см<sup>2</sup> при температуре, °С
700
750
1
Нелегиров. гидрид циркония
10,0
разруш.
2
0,1 Al
8,0
разруш.
3
0,5 Al
разруш.
разруш.
4
1,0 Al
разруш.
разруш.
5
1,9 Al
разруш.
разруш.
6
0,2 Ni-0,5 Al
-7,0
разруш.
7
0,2 Ni-0,3 Al
-5,5
разруш.
8
0,3 Ni-0,2 Al
-2,0
разруш.
9
0,3 Ni-0,5 Al
-2,0
разруш.
10
0,4 Ni-0,1 Al
8,5
18,0
11
0,4 Ni-1,0 Al
10,0
разруш.
12
0,5 Ni-0,1 Al
6,5
8,5
13
0,5 Ni-0,2 Al
6,0
8,0
14
0,7 Ni-0,1 Al
4,8
7,0
15
0,7 Ni-0,2 Al
4,2
6,0
16
0,7 Ni-0,3 Al
5,0
7,5
17
1,0 Ni
8,5
разруш.
18
1,0 Ni-0,3 Al
8,0
12,5
19
1,0 Ni-0,5 Fe
10,0
разруш.
20
1,0 Ni-1,9 Al
16,5
разруш.
21
2,6 Ni
10,
разруш.
22
2,6 Ni-1,0 Al
разруш.
разруш.
23
0,7 Ni-0,7 Fe
-7,0
разруш.
24
0,5 Cu-0,2 Al
-10,0
разруш.
25
0,1 Cu-0,3 Al
разруш.
разруш.
26
1,0 Fe
разруш.
-
27
1,0 Cr-1,0 Fe
разруш.
-
Таблица 3.
Количество водорода, теряемое образцами гидрида циркония во время коррозионных испытаний в окислительной атмосфере при 700°С.
Содержание легирующих добавок, вес %
0,7 Ni-0,1 Al
Нелегированный гидрид
0,7 Ni-0,7 Fe
0,7 Cu-0,7 Mo
2,0 Cu
Время испытаний, час
500
1000
2000
500
1000
2000
500
1000
2000
500
1000
2000
500
1000
2000
Потери водорода, %
0
1,5
2,8
0,3
2,4
4,5
1,5
4,5
-
2,6
3,2
5,2
0,4
1,9
6,2