H000306 Дипломная работа Прочность и определение предельных режимов эксплуатации твэлов

Реферат

Выпускная квалификационная работа

 стр.38, 4 рис., 3 табл., 15 источников.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ, ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ (ТВЭЛ), НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ, ПРЕДЕЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ, ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ, ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ.

Объект исследования: Циркониевые трубки для производства тепловыделяющих элементов(твэл) в реакторах атомной электростанции.

Цель работы: Оценка прочности и определение предельных режимов эксплуатации твэлов.

Научная новизна: Учет остаточных напряжений в прочностных расчетах элементов атомной энергетики.

Результаты: Получено уравнение для определения степени деформации, при которой возможно разрушение.

Практическая значимость:

Содержание

Введение……………………………………………………………………..........7

ГЛАВА 1. ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ТОЧНОСТЬ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ЦИРКОНИЕВЫХ СПЛАВОВ………………………………………...................................................9

1.1.Свойства циркония………………………………………………………...10

1.1.1Физические свойства……………………………………………………….10

1.1.2Механические свойства…………………………………………………….14

1.2.Виды циркониевых изделий и области применения…………………..20

ГЛАВА 2. НАПРЯЖЕНИЯ, ВОЗНИКАЮЩИЕ В ТВЭЛАХ И ИХ НАХОЖДЕНИЕ………………………………………………………………...24

2.1. Напряженно-деформированное состояние осесимметричных тонкостенных трубных изделий под действием внутреннего давления..25

2.2. Остаточные технологические напряжения при производстве циркониевых труб для твэлов………………………………………………..29

ГЛАВА 3.ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДЕЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТВЭЛОВ………………………………….32

Заключение…………………………………………………………………….33

Список литературы…………………………………………………………...34

ВВЕДЕНИЕ

В 2000 году кафедра обработки металлов давлением Уральского Федерального университета имени первого президента России Ельцина Б.Н. проводила научно- практическую конференцию «Трубы России». В одном из научных докладов было сделано предположение, что одной из возможных причин аварии на Чернобыльской атомной электростанции (АЭС) были остаточные напряжения в циркониевых трубах для производства тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) атомных электростанций.

Циркониевые трубы для ТВЭЛ производят на ОАО «Чепецкий механический завод» (г. Глазов, Удмуртия) методами обработки материалов давлением. Известно, что при обработке металлов давлением в металлоизделиях формируются остаточные напряжения. Часть энергии пластической деформации, пошедшей на пластическую деформацию, сохраняется в обрабатываемом изделии в виде остаточных напряжений. Для осесимметричной трубной заготовки остаточные напряжения могут быть определены по методикам, созданным на кафедре Динамики и прочности машин, Пермского Национального Исследовательского Политехнического университета.

На предприятии ОАО «Чепецкий механический завод» с помощью ученых Москвы были определены остаточные напряжения в тонкостенных труб из циркония, они оказались достаточно большими. Остаточные тангенциальные напряжения оказались растягивающими в поверхностном наружном слое исследованных труб. Напряжения достигали примерно 100 МПа, что могло повлиять на дальнейшее производство твэлов.

Настоящая работа посвящена вопросам напряженно-деформированного состояния твэлов в процессе эксплуатации их в реакторах атомных электростанций.

Кроме остаточных напряжений при работе твэлов в реакторе возникает напряженно-деформированное состояние корпуса твэла от действия воды, прокачиваемой через твэл для отбора тепла при этом давление может достигать 650 МПа (65 кг/см2) и газа, наполняющего твэл перед герметизацией. Поэтому в работе рассматривается две расчетные схемы:

1. Формирование остаточных напряжений в процессе производства циркониевой трубы для твэл.

2. Действие внутреннего и наружного давления на тонкостенную трубку корпуса твэла.

Используя принцип суперпозиции, просуммируем напряженные состояния и оценим прочность при наличии суммарного напряженного состояния. Из условий прочности можно говорить либо о максимально допустимом давлении охлаждающей воды, либо о предельных значениях остаточных напряжений.

В тонкостенных трубках при действии внутреннего давления радиальные остаточные напряжения   малы и расчет выполняется для окружных напряжений  

ГЛАВА 1. ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ТОЧНОСТЬ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ЦИРКОНИЕВЫХ СПЛАВОВ  

В настоящее время актуальной остается разработка и совершенствование технологий изготовления оборудования для атомной промышленности. Наибольшее применение в ядерных реакторах имеют циркониевые сплавы, обладающие высокой коррозийной стойкость, малым сечением захвата тепловых нейтронов, низким содержанием случайных примесей в сплаве и др. Из циркониевых сплавов в атомной промышленности изготавливаются различные изделия, такие как тонкостенные трубки для оболочек тепловыделяющих элементов(твэлов), тонкостенные трубы заглушек твэлов и др. Наиболее ответственными их них являются трубки для оболочек твэлов, так как выход твэлов из строя с разгерметизацией оболочек недопустим, поэтому необходимо исследовать параметры, которые влияют на прочность, износостойкость и надежность таких изделий.

Изготовление оболочек твэлов осуществляется обычно на специализированных заводах. Это связанно со специфическими условиями производства изделий из циркониевых сплавов. Любая схема производства циркониевых труб включает в себя обработку пластическими деформированием. Известно, что практически все технологические процессы пластического деформирования связаны с появлением в готовых изделиях самоуравновешенной системы технологических остаточных напряжений.

ОАО «Чепецкий механический завод» (г. Глазов, Удмуртия) – единственный в России и крупнейший в мире производитель циркония, а также сплавов на его основе. Циркониевые сплавы обладают свойством незначительного захвата проходящих сквозь них тепловых нейтронов, образующих в процессе управляемой ядерной реакции. Это предопределило применение циркония в качестве конструкционного материала атомного реакторостроения.

Наиболее широкое использование находят сплавы Э-110 для оболочки ТВЭЛА, сплав Э-125 для канальных труб. Трубы бесшовные холоднокатаные с последующим волочением. Изготавливаются трубы 88х4 мм, 92х22 мм, 68х9 мм, 92х9 мм. Кроме того, тонкостенные трубы 9,15х7,7 мм, 13,65х11,7 мм. (наружный и внутренний диаметры). Технологические каналы работают в жестких условиях радиационных потоков при давлении 65 атмосфер и температуре теплоносителя при выходе 280 °С. В каждом реакторе РБКМ 1000-1693 канала. Отделы технического контроля данного предприятия оснащены ультразвуковым, токовихревым и другими методами неразрушающего контроля.

На величину и распределение остаточных напряжений по объему изделия влияют- основные технологические параметры процесса обработки, физические свойства и механические характеристики материала. Для того, чтобы оценить уровень остаточных напряжений, возникающих в трубках из циркония после пластического деформирования рассмотрим особенности физических и механических свойств циркония и циркониевых сплавов, деформационное поведение и влияние параметров технологии производства трубных изделий на качество, технологическую и конструкционную прочность, точность циркониевых труб.

1.1 Свойства циркония

1.1.1 Физические свойства

Элемент периодической системы ЦИРКОНИЙ – Zr, химический элемент атомным номером 40, атомная масса 91,224. Расположен в группе IVB, в 4 периоде периодической системы. Значение эффективного сечения захвата тепловых нейтронов 1,8•10-29 м2

 История открытия

 В 1789 М. Г. Клапрот выделил из драгоценного камня циркона оксид нового элемента. Элемент цирконий получил в 1829 швед Й.Я. Берцелиус. Этот цирконий имел много примесей. Чистый цирконий был получен в 1925 А. Ван Аркелем.

 Нахождение в природе

Содержание в земной коре 0,02% по массе. В свободном виде не встречается. Образует более 30 минералов. По способу получения цирконий разделяется на иодидный и губчатый (электролизный).

Цирконий - серебристо-серый металл. Цирконий принадлежит к аллотропным металлам. Существует в двух модификациях. От 273 °С до 863°С устойчива гексагональная – модификация с параметрами элементарной ячейки а = 0,3231 нм, с = 0,5146 нм. Выше 863°С устойчива кубическая объемно-центрированная β -модификация с параметрами решетки, а = 0,361 нм до точки плавления. Температура плавления 1855°С, температура кипения 4350°С.

Чистый цирконий пластичен, сваривается в инертной атмосфере. Наличие примесей кислорода, азота, углерода, водорода ухудшает пластичность, твердость, прочность на разрыв [1].

Переход объемно-центрированной решетки β-Zr в гексагональную плотноупакованную α-решетку имеет большое значение в технологии обработки циркония и его сплавов, т.к. в результате этого перехода возникает структура, определяющая свойства материала во всем диапазоне рабочих температур.

Кристаллографическая картина превращения β -фазы циркония в α -фазу такова: (0001) α 11 {110} β θ α 11 β.

Главные деформации при превращении таковы: вдоль направления [011]β идет расширение на 2%, и это направление становится [0001] α; вдоль [011]β идет расширение на 10%, и направление это становится [0110] α; вдоль [100]β идет сокращение на 10%, и это направление становится [2110] β.

Плотность циркония   при комнатной температуре равна 6,5 г/дм3. Точка плавления циркония лежит между 1852°С и 1857°С. Общепринятое значение 1855°С.

Значение средней теплоёмкости С иодидиого циркония в зависимости от температуры приведены в таблице 1 [1].

Таблица 1

Интервал тем- ры, °С

0-100

100-200 200-300 300-400 400-500 500-600 600-700 700-800 800-850 850-863 863-900

Теплоемкость C, Дж/(кгК) 288 298 322 318 331 388 357 359 390 414 404

Теплопроводность циркония определяется с помощью отношения Видема-Франца, т.е. через значения электропроводности. Значение коэффициента теплопроводности циркония приведены ниже:

Температура, °С 25 100 200 300

 , Вт/(мград)

21,1 20,4 19,6 18,7

Температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) циркония сильно зависит от текстуры данного образца поликристаллического циркония. Это объясняется очень резко выраженной анизотропией ТКЛР по осям монокристалла циркония.

Электросопротивление циркония и его температурный коэффициент, равный 4•103 значительно зависят от чистоты металла [2].

Физические свойства циркония представлены в таблице 2 [3].

Таблица 2

Физические свойства циркония

Кристаллическая структура

α Гексагональная плотнейшая упаковка

β Кубическая объемноцентрированиая

Размеры ячейки, Е

α а=3,228, с=5120, с/а=1,59

β а=3,61;

Плотность (после горячей прокатки), г/см3 6,586

Плотность (после холодной прокятки), г/см3 6,505

Твердость (кристаллический пруток) по Роквеллу (шкала В) 25-30

Предел прочности при разрыве (прокатный брусок 6,35 мм, сошлифованный до 4,06 мм), кг/мм2  90

Температура полиморфного превращения α-β, °Р 862

Температура плавления (β-Zr), °С  1830±40

Температура кипения, °С  2900

Коэффициент линейного расширения, 10-6 °К

α-Zr(β интервале 298-1143 °К) вдоль оси а 5,5

вдоль оси с 10,8

β-Zr(β интервале 1143-1600 °К) 9,7

Удельная теплоемкость (при комнатной температуре), кал/г •°С 0,67±0,001

Продолжение таблицы 2.

Теплопроводность (при 125 °С), кал/см• сек •°С 0,035±5%

Удельное электросопротивление (кристаллический пруток), 10-6 Ом• см  45

Термоэлектронная работа выхода  4,1

1.1.2 Механические свойства циркония

 Что касается упругих свойств циркония, то наиболее вероятными можно считать значения при 20° С: модуль Юнга Е=105 МПа; модуль сдвига G=3,55 •104 МПа.

Гексагональная кристаллическая структура α-Zr обуславливает заметно выраженную анизотропию упругих свойств. Анизотропия упругих свойств характерна и для поликристаллического циркония и зависит от состояния металла. Холодная деформация несколько увеличивает нормальный модуль упругости, заметной становится и его анизотропия.

С повышением температуры модуль упругости уменьшается. Данные об изменении модуля упругости в зависимости от температуры для иодидного циркония приведены в табл.3. Модуль сдвига и коэффициент Пуассона иодидного циркония при комнатной температуре соответственно равны 3,35•103 кгс/мм2 и 0,31 - 0,33. Модуль упругости губчатого циркония мало отличается от модуля иодидного металла и при комнатной температуре составляет (9÷9,5) •103 кгс/см2.

Систематические данные о влиянии легирования на упругие свойства циркония отсутствуют. Однако сведения об упругих свойствах промышленных сплавов позволяют считать, что легирование циркония элементами Sn, Fe, Cr, Ni, Cu и Mo в соответствующих пределах приводит к некоторому увеличению модулей упругости и сдвига

Большинство данных по оценке упругих свойств сплавов циркония получено для сплавов типа циркалой (Zr + Al). При комнатной температуре модуль упругости сплавов типа циркалой равен (9,7÷10)•103кгc/мм2, с повышением температуры до 550° С происходит его монотонное уменьшение до (6÷6,6)•103кгс/мм2. Модуль сдвига сплава циркалой-2 при комнатной температуре составляет 3,68•102 кгс/мм2. Для текстурированных образцов из сплавов типа циркалой характерно различие модулей упругости в направлении прокатки и в поперечном направлении. В поперечном направлении величина модуля, как правило, на 10-15% выше, чем в направлении прокатки.

Данные о характеристиках упругости других сплавов весьма малочисленны. Модуль упругости для сплава АТR [Zr-(0,4÷0,6)%Сu-(0,5÷0,6)%Мо] несколько выше, чем у сплавов типа циркалой. При комнатной температуре он равен 11•103 кгс/мм2, а при 400° С 7,91•103 кгс/мм2.

Модуль упругости сплавов Zr-1% Nb и Zr-2,5% Nb при комнатной температуре мало чем отличается от модуля упругости чистого циркония, но несколько меньше, чем у сплавов типа циркалой и составляет 9,3•103 и 9,1•103 кгс/мм2. При температурах 300-400°С модуль упругости сплавов с ниобием и сплавов типа циркалой практически одинаков. С увеличением содержания ниобия от 5 до 20% модуль упругости циркония в области температуры 20-300° С уменьшается. При комнатной температуре он составляет 8,8•103; 8,2•103 и 6,1•103 кгс/мм2 соответственно для сплавов с 5, 10 и 20°/о Nb. Для этих сплавов, однако, характерно меньшее изменение модуля при нагреве, и в области температуры выше 500°С для сплавов с 5 и 10% Nb его величина заметно выше, чем у сплавов типа циркалой и чистого циркония (соответственно 6,55•103 и 5,8•103 кгс/мм2 при температуре 900°С). Такой характер изменения модуля упругости, по-видимому, обусловлен особенностями фазового состава сплавов.

Значения модулей упругости циркония и его сплавов в интервале температуры 20-500°С приведены в табл. 3. Модуль сдвига сплавов Zr-1% Nb и Zr-2,5% Nb при 20° С составляет 3,55 •103 и 3,2 •103 кгс/мм2 соответственно.

Данные о влиянии условий эксплуатации (облучения и наводороживания) на характеристики упругости циркония и его сплавов весьма ограничены и порой противоречивы. Было установлено, что облучение интегральным потоком тепловых нейтронов 7•1019 нейтрон/см2 увеличивает модуль упругости при комнатной температуре на 4-9% для сплава цирколай-2 и на 2-9% для сплава циркалой-3. В то же время, после облучения в интегральном потоке быстрых нейтронов 2,7•1020 нейтрон/см2 при температуре ниже 100°С модуль упругости сплава циркалой-2 не изменяется. Учитывая известный характер субструктуры изменений в сплавах циркония при нейтронном облучении и связь их с характеристиками упругости, по-видимому, более закономерно увеличение модуля упругости при облучении. Возможными причинами различного эффекта являются различия в методиках определения.

Исследование влияния наводороживания на упругие свойства сплавов циркония позволило обнаружить двойственный характер эффекта присутствия водорода. В области температуры существования гидридов в наводороженном сплаве Zr-2,5% Nb модуль упругости выше, чем в ненаводороженном (см. табл.3), при этом различие тем больше чем выше содержание водорода в сплаве. При повышении температуры происходит растворение гидридов, что приводит к снижению модуля упругости, и в области температуры существования твердого раствора водорода в сплаве его модуль упругости ниже, чем в ненаводороженном состоянии.

Таблица 3

Модуль упругости циркония и его сплавов

Сплав  Направ-ление  Модуль упругости, 103 кгс/мм2

 20°С 100°С 200°С 300°С 400°С 500°С

Zr(иодидный) - 8,3-9,6 7,8-9,2 7,1-8,6 6,3-7,9 6,0-7,2 4,8-6,5

Zr(губчатый) - 9,0-9,2 8,6-8,8 7,9-8,0 7,0-7,4 6,0-6,8 5,2-6,2

Цирколай-2 Прод.

Попер. 9,6-10,4 9,1-10,1 8,5-9,4 7,9-8,8 7,35-815 6,8-75

Цирколай-4 Прод.

Попер 8,8-9,9 8,5-9,4 8,0-8,8 7,45-8,15 6,9-7,5 6,4-6,9

Zr-1%Nb Прод. 9,3 8,9 8,4 8,0 7,7 7,1

Zr-ART(0.5%Cu+0.5%Mo) - 11,0 10,3 9,6 8,8 7,9 -

Zr-2,5% Nb - 9,1 8,6 8,2 7,8 7,5 7,0

Zr-2,5%Nb (+0.01% H2) - 9,6 8,9 8,15 7,75 7,15 6,5

Zr-2,5%Nb (+0.03% H2) - 9,85 9,25 8,5 8,05 7,2 6,45

Zr-2,5%Nb (+0.05% H2) - 10,3 9,65 8,75 8,3 7,5 6,4

Примечание. Все данные относятся к сплавам в отожженном состоянии.

Отличительной особенностью циркония и большинства его сплавов является исключительная ковкость, сохраняющаяся даже при температурах жидкого азота. Эта высокая ковкость объясняется тем, что цирконий может деформироваться в трех плоскостях сдвига и во многих плоскостях двойникования, и сопротивление циркония пластической деформации при пониженных температурах меньше, чем в случае металлов, подобных магнию, цинку и бериллию, у которых возможные направления деформации более ограничены. Обработка циркония давлением затруднена вследствие его гексагональной кристаллической структуры и высокой степени быстро нарастающего упрочнения (наклепа) в процессе деформации.

В большинстве случаев трудности при обработке давлением возникают из-за сильного налипания металла на рабочую поверхность инструмента, что является характерным свойством не только циркония, но также титана и гафния. Если приняты меры по предотвращению налипания, металл может легко обрабатываться давлением обычными методами.

Значения твердости предварительно отожженного чистого циркония, колеблющейся от 75 до 150 единиц при испытании вдавливанием алмазной пирамиды, предела текучести, равного 5,6 - 10,5 кг/мм2, и предела прочности при растяжении, равного 17,5 - 28,1 кг/мм2. Часто такие колебания в свойствах происходят из-за загрязнения циркония кислородом и азотом, попадающих в металл при проведении операций плавки и обработки. Однако недостаточный отжиг также может быть причиной расхождения данных. Достаточно высокая степень упрочнения может сохраняться в цирконии даже в тех случаях, когда металлографическое исследование его структуры явно показывает полную рекристаллизацию. При оценке механических свойств циркония важно установить условия отжига н источники загрязнения испытуемого материала. Хотя цирконий обладает высокой температурой плавления, по своим механическим свойствам он более сходен с металлами, имеющими более низкую температуру плавления. Несмотря на высокие температуры плавления, цирконий и его сплавы обладают неудовлетворительными высокотемпературными механическими свойствами и являются малоперспективными для использования их при температурах выше 500 °С [4].

Чистый нелегированный цирконий принадлежит к числу очень пластичных и относительно малопрочных металлов. Проведение циркония в α-фазе характеризуется не температурой плавления (1855° С), что свойственно неполиморфным металлам, а температурой полиморфного превращения 862°С. Чистый иодидно-рафинированный цирконий обладает следующими механическими свойствами при 30° С: предел прочности   предел текучести   =50-130 Мпа; относительное удлинение  35-50%.

Коррозионная стойкость

Чистый цирконий обладает наиболее высокой коррозионной стойкостью, и любой легирующей элемент или примесь только ухудшают это свойство. Наличие весьма малых количеств таких примесей, как азот, углерод, титан, алюминий, кремний и некоторых других в той или иной мере увеличивает скорость коррозии циркония, и необходимо ввести в цирконий один, два или более легирующих элементов, которые парализуют вредное действие примесей, хотя в какой-то степени они сами снижают коррозионную стойкость «сверхчистого», т. е. непромышленного циркония. Так как циркониевые твэльные трубки должны работать не менее трех лет, а канальные - 30 лет, коррозионная стойкость циркония должна быть достаточной для такого срока службы; ею обладают только специально легированные циркониевые сплавы. Но легирование циркония необходимо не только ради повышения коррозионной стойкости. Циркониевые трубы подвергаются значительным (часто знакопеременным) напряжениям, как правило, двухосны; в процессе эксплуатации на трубах осаждаются продукты коррозии деталей первого контура, соли жесткости и т.п., в результате чего трубки-оболочки твэлов перегреваются. Эти условия эксплуатации требуют от циркониевых труб высоких технических свойств в диапазоне температур от комнатной до рабочей (300 -380°) и до 1000-1200° С (в случае потери теплоносителя аппаратов ВВЭР): высокие пределы текучести и прочности, минимальная скорость ползучести, высокая длительная прочность и сопротивление усталостному разрушению.

Известно, что облучение в реакторе сильно влияет на механические свойства циркония: повышает прочностные характеристики, но при облучении понижаются характеристики пластичности, вязкости, что крайне вредно. Поэтому повышение прочностных характеристик труб путем легирования и термомеханической обработки необходимо проводить, только учитывая сохранение необходимой пластичности металла при его эксплуатации в реакторе.

1.2.Виды циркониевых изделий и области применения

В последнее время актуальной является разработка технологий изготовления оборудования термоядерных реакторов, где все чаще используются циркониевые изделия. Причиной является высокая коррозионная стойкость и малое поперечное сечение захвата тепловых нейтронов и др.

Чистый цирконий характеризуется относительно низкими прочностными свойствами и высокой пластичностью. Механические свойства его заметно зависят от степени загрязненности примесями, содержание которых, в свою очередь, определяется способом производства. При 20°С пределы текучести и прочности наиболее чистого металла, полученного иодидным рафинированием, составляют соответственно 13 и 28,5 кгс/мм2, а относительное удлинение и сужение - 14 и 40%. Цирконий, получаемый магниетермическим способом (губчатый цирконий), более прочен; при 20°С пределы прочности и текучести его составляют 48 и 30,5 кгс/мм2, а относительные удлинение и сужение - 13,7 и 31,4%.

Одним из способов повышения прочности циркония является легирование. Легирование –элементами, образующими твердые растворы замещения, например, титаном и гафнием, не дает заметного упрочнения, в то время как введение элементов, образующих твердые растворы внедрения, (кислорода и азота, которые характеризуются значительной растворимостью в α-Zr) приводит к существенному росту прочностных характеристик циркония при комнатной температуре [2].

Ряд положительных физических и механических свойств циркония, таких как высокая коррозионная стойкость, исключительная ковкость, а также малое поперечное сечение захвата тепловых нейтронов, позволяет использовать циркониевые изделия в различных областях техники. Необходимо отметить, что в промышленности чистый цирконий почти не используется. В основном применяют изделия из циркониевых сплавов. Легирование циркония ещё в большей степени повышает коррозионную стойкость и прочностные характеристики.

Основные промышленные сплавы циркония, которые используются в атомной энергетике: сплавы циркалой-2 и циркалой-4 ((Zr-1,5%Sn,Fe,Cr,Ni,O) и (Zr-I,5Sn,Fe,Cr,O,Ni<0,007%), соответственно); сплав Н-1 (Zr-1%Nb) разработанный специально для оболочечных труб и прутков для пробок-заглушек; сплав Н-2,5 (Zr-2,5%Nb), разработанный специально для канальных труб, а также для листа, ленты, прутков и труб для различных деталей активной зоны, таких, как шестигранные кожухи для трубчатых и прутковых подвесок, для твэльных сборок реакторов РБМК и др.

Из циркониевых сплавов в атомной промышленности изготовляются различные изделия, такие как: особотонкостенные трубки для оболочек твэлов длиной до 4,5 м, диаметром 8-20 мм со стенкой толщиной 0,3-1 мм; тонкостенные трубы для каналов вода-водяных и кипящих реакторов длиной до 8 м, диаметром 80-130 мм, со стенкой толщиной 3-6 мм; прутки диаметром 8-20 мм для пробок-заглушек твэлов и прутки больших диаметров для массивных концевых изделий кассет-сборок; листы толщиной 1-4 мм для изготовления кожухов кассет и каландровых труб; листы и ленты толщиной 0,3-1,5 мм для дистанционирующих решеток и других деталей кассет; проволока для тех же целей, прутки и трубы разных размеров для крепления и подвески твэлов в кассетах-сборках, а также для других деталей, находящихся в активной зоне реактора (см. рис. 1). Наиболее ответственными изделиями являются трубки для оболочек твэлов, так как выход твэлов из строя с разгерметизацией оболочек практически недопустим. К твэльным трубкам предъявляются многочисленные требования, важнейшие из которых: высокая коррозионная стойкость; высокое качество металла; точность геометрических размеров; высокие механические свойства.

Рис. 1 Схематический чертеж стержневого твэла: 1-пробка-заглушка; 2-таблетки двуокиси урана; 3-оболочка из циркониевого сплава

Поскольку оболочечные трубки имеют стенки толщиной менее 1 мм, а в отдельных конструкциях твэлов до 0,35-0,4 мм, внутренние дефекты в виде неметаллических включений, плен, засоров, ликвационных неоднородностей, трещин и т. п. могут быть допущены в размерах не более 5-10°/о толщины стенки. Поэтому все трубки тщательно проверяют ультразвуковым или другими методами, применяемыми в неразрушающей дефектоскопии.

Точность геометрических размеров оболочечных труб принадлежит к важнейшим параметрам труб, потому что твэлы должны надежно крепиться в поддерживающих и дистанционирующих деталях во избежание вибраций и фреттинг-коррозии, поэтому понятно требование к точности наружного диаметра трубки. Точность же внутреннего диаметра важна для обеспечения расчетного кольцевого зазора между столбом таблеток и оболочкой и тем самым симметрии теплоотдачи от таблеток к оболочке и теплоносителю. Практически важными являются не только точные диаметры наружной и внутренней стенок трубки, но, в особенности, отсутствие эксцентричности (разностенности). Разностенность приводит к резкому падению эффективной пластичности, выражаемой равномерным относительным тангенциальным удлинением при испытании труб внутренним давлением до разрушения.

Высокие механические свойства оболочечных труб - это возможность создания экономичных и надежных твэлов. Отметим наиболее важные показатели механических свойств труб [5].

 1. Предел текучести   при комнатной температуре и, а также при эксплуатационных температурах (особенно важен в тангенциальном направлении при двухосном напряженном состоянии, характерном для растяжения оболочки внутренним давлением).

2. Предел прочности или временное сопротивление разрыву при тех же условиях.

3. Остаточное удлинение при испытании на разрыв труб в продольном, осевом и тангенциальном направлениях при комнатной и эксплуатационной температурах.