СПЛАВ ДЛЯ ПОГЛОЩЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ НЕЙТРОНОВ НА ОСНОВЕ ЦИРКОНИЯ

Изобретение относится к области металлургии, к разработке новых нерадиоактивных материалов и может быть использовано в атомной энергетической промышленности. В частности, для изготовления специального оборудования для влажного и сухого хранения отработанного ядерного топлива и его транспортировки.

На сегодня, в отечественной промышленности для этих целей применяется сталь ЧС82 (04Х14Т3Р1Ф), (см. а.с. СССР №1122009, 1983 г., а также описание к патенту РФ №2483132, 2013 г.). За рубежом, сталь «БОРОН-304» (БССК, Англия). С 2008 года - алюминиевый сплав «Metamic™» (Holtec International, США). Все эти материалы обладают свойством поглощения тепловых нейтронов, за счет наличия в из составе в определенных пропорциях бора и его изотопа 10В.

Переход к новым типам ядерного топлива, более перспективным с точки зрения энергетики, предъявляет повышенные требования к материалу с поглощающими свойствами. Увеличение в процентном соотношении бора в названных металлах, существенно их охрупчивает, что делает их не пригодными в технологической переработке. Это общее свойство боридов, который бы имел не только высокий уровень поглощения тепловых нейтронов, но и обладал высокими эксплуатационными и пластическими свойствами, что в целом обеспечивает безопасность хранения отработанного ядерного топлива.

Известен сплав для поглощения тепловых нейтронов на основе титана (патент РФ №2519063, БИ №16, 2014 г.). Здесь для увеличения поглощающих свойств известного сплава титана ПТ7М, добавляют в состав редкоземельный элемент - самарий, обладающий большим сечением захвата тепловых нейтронов (для природных изотопов: 149Sm ~ 50000⋅10^-28 м², 152Sm ~ 5600⋅10^-28 м², 154Sm ~ 5600⋅10^-28 м²). Соответственно для бора: 10В ~ 3838⋅10^-2 м², 11B ~ 757-10^-28 м² (см. Справочник: свойства элементов / По ред. Дница М.Е. - М.: Издательский дом. «Руда и Металлы», 2005).

Недостатком этого сплава является способность титановой основы - матрицы поглощать водород из воздуха, особенно интенсивно при повышении температуры окружающей среды. Что приводит к охрупчиванию металла, его к растрескиванию со временем его эксплуатации. Это не допустимо в изделиях при сухом хранении отработанного ядерного топлива.

Наиболее близкий к описываемому по технической сущности и достигаемому эффекту является сплав на основе циркония (сплав Э110, ТУ95.166-83), который также применяется в атомной энергетике. Химический состав сплава Э110, вес. %:

Ниобий 0,9-1,1;

Цирконий и примеси остальное.

Содержание примесей представлено в табл. 1.

Поставленная цель достигается тем, что в известный сплав Э110 на основе циркония, добавляют редкоземельный элемент - самарий, в объеме, вес. %: (0,5-5,0), при этом увеличивается присутствие гафния в пределах вес. %: (0,5-2,5). Содержание примесей представлено табл. 2, где элемент гафний исключен из примесей и переведен в разряд состава сплава.

В атомной энергетике цирконий, благодаря высоким коррозионным свойствам, малому поперечному сечению захвата тепловых нейтронов, хорошим механическим свойствам и высокой жаропрочности, используют более пятидесяти лет для оболочек тепловыделяющих элементов в ядерных реакторах. Одна из проблем применения циркония в ядерной энергетике в качестве материала для оболочки тепловыделяющего элемента (ТВЭЛа) и других активной зоны реактора, это очистка циркония от примеси гафния. Последний имеет достаточно высокое эффективное сечение поглощения тепловых нейтронов (в среднем ~ 300⋅10^-28 м²), по сравнению с цирконием ~ 0,18⋅10^-28 м², алюминием ~ 0,21⋅10^-28 м², титаном ~ 8,3⋅10^-28 м², ниобием ~ 1,1⋅10^-28 м², А так как цель изобретения - создание материала с высокой поглощающей способностью, в отличие от твельного варианта, содержание гафния в пределах технологической доступности (0,5-2,5)%, существенно снижает себестоимость заявленного материала.

Диапазон содержания в сплаве самария обусловлен оптимальным уровнем поглощения тепловых нейтронов и экономической целесообразностью. Ниже 0,5% - сплав не обеспечивает необходимый уровень поглощения, более 5% - повышается себестоимость сплава. Отметим, при выплавке циркониевого сплава, допускается добавление в его состав не только технически чистого самария, изготовленного по ТУ48-4-207-72, но и оксиды Sm₂O₃, гидриды SmH₂, SmH₃. При сплавлении самария с цирконием, образуется интерметаллическое соединение с высокими эксплуатационными свойствами. При этом, в отличие от бора, самарий не охрупчивает сплав, а существенно увеличивает его поглощающиеся возможности.

Промышленное производство циркониевых сплавов (Э635, Э110, Э125) с пониженным содержанием гафния, а также изделия из них (прутки, трубы, листы…) освоено на АО «Чепецкий механический завод», г. Глазов (www.chmz.net).