Описание конструктивного элемента

Аннотация

В курсовом проекте проведен анализ условий работы отражателя нейтронов. На основании анализа заданных параметров эксплуатации, конструкции элемента устройства дана характеристика и сформулированы требования к материалу для отражателя нейтронов. С учетом данных из литературных источников разработан состав материала для отражателя: Be+3%ВеО+0,4%Ca+0,1%Cr. Намечены меры по стабилизации его структурно-фазового состояния в условиях эксплуатации. Предложена технология изготовления блоков отражателя.

Работа может быть полезна для студентов изучающих курс "Физическое материаловедение".

Содержание

Введение…………………………………………………………………………………….4

1. Исходные данные к курсовому проекту………………………………………………..5

1.1 Индивидуальное задание……………… ………………………………………5

1.2 Описание конструктивного элемента…………………………………………5

1.3 Характеристика основы материала отражателя нейтронов…………...……..7

1.4 Характеристика рабочей среды ………………………………………………11

2. Анализ исходных данных и характеристика требуемого материала…………….…14

2.1 Анализ влияния температуры на характеристики основы сплава……..…..14

2.2 Механизм деформирования……………..……………………………………14

2.3 Влияние облучения…………………………..………………………………..15

2.4 Анализ взаимодействия основы со средой………………...…………………19

2.5 Характеристика требуемого материала……………………………………….21

3. Требования к свойствам разрабатываемого материала……………………………... 22

4. Исследование заданного структурно-фазового состояния материала………………24

5. Выбор легирующего комплекса………………………………………………………..30

6. Обеспечение стабильности СФС в эксплуатационных условиях……………………37

7. Технология изготовления отражателя нейтронов………….………...………………39

Выводы…………………………..………………………………………………………....46

Список литературы.……………………………………………………………………….47

Введение

На данный момент большое внимание уделяется ядерной энергетике. Ведется разработка новых реакторов и материалов для них, с более лучшими рабочими характеристиками. Одним из конструктивных элементов является отражатель нейтронов. Его изготавливают из материалов с большим сечением рассеяния нейтронов. Одним из таких материалов является бериллий. Бериллий от природы обладает высокими прочностными свойствами, имеет высокую теплопроводность, термостойкость, высокую жесткость при повышенных температурах. Однако, бериллий обладает также рядом недостатков, которые требуют некоторых доработок.

Целью работы является разработка оптимального состава сплава на основе бериллия обеспечивающего максимально высокие характеристики отражателя нейтронов и выбор оптимальной технология изготовления заданного конструктивного элемента.

 

 

Исходные данные к проекту

 

Индивидуальное задание

Таблица 1.1 - Исходные данные

№	Основа	Характе-ристика	Назначение	Условия работы материала
Время	T,˚C	σp, МПа	Среда	Нейтроны, 1019 н/(м2с)
2.2.9	Be	Сплав	Отражатель нейтронов	40 лет			Эвтек-тика Pb-Bi	φб= 2,6	φт= 0,5

 

Целевое задание: регулирование и особенности рекристаллизации сплавов.

Описание конструктивного элемента

 

Отражатель нейтронов – это слой вещества, окружающий активную зону ядерного реактора и служащий для уменьшения утечки нейтронов из активной зоны. Отражатель нейтронов позволяет уменьшить критическую массу делящегося вещества и увеличить съем мощности с единицы объема активной зоны [1].

На рисунке 1.1, показано расположение отражателя нейтронов на схеме гетерогенного реактора (реактор, в котором ядерное горючее конструктивно отделено от замедлителя и других элементов активной зоны, основной признак гетерогенного реактора - наличие тепловыделяющих элементов).

Благодаря отражателю происходит выравнивание нейтронной плотности и энерговыделения по объему активной зоны, что позволяет при данных размерах зоны получить большую мощность, добиться более равномерного выгорания топлива, увеличить продолжительность работы реактора без перезагрузки топлива и упростить систему теплоотвода. Отражатель нагревается за счет энергии замедляющихся и поглощаемых нейтронов и гамма - квантов, поэтому предусматривается его охлаждение. Активная зона, отражатель и другие элементы размещаются в герметичном корпусе или кожухе, обычно окруженном биологической защитой.

 

Рисунок 1.1 - Схема гетерогенного реактора [1]

1-топливо, 2-замедлитель, 3-теплоноситель, 4-отражатель, 5-корпус и биологическая защита, 6-вход теплоносителя, 7-выход теплоносителя, 8-стержни регулирования

 

Активная зона реактора практически всегда, за исключением специальных реакторов, окружена отражателем, возвращающим часть нейронов в активную зону за счет многократного рассеяния. В реакторах на быстрых нейронах активная зона окружена зонами воспроизводства. В них происходит накопление делящихся изотопов. Кроме того, зоны воспроизводства выполняют и функции отражателя. В некоторых реакторах отражатель нейтронов изготавливается из бериллия [1].

В ядерных реакторах в качестве отражателей нейтронов, как правило, используются конструкции в виде массивных, цельных пластин или блоков из металлического бериллия высотой до полуметра и более [2]. Сверху и снизу такой блок ограничен металлическими фланцами (обычно из нержавеющей стали), а несущим нагрузку, обеспечивающим цельность и жесткость конструкции, является сам материал блока – бериллий Недостатком данной конструкции является подверженность материала блока растрескиванию и последующему разрушению в процессе эксплуатации в активной зоне реактора при достижении флюенса из интервала (3-6)•10³⁰ cм² (Е>0,1 МэВ) [3].

На рисунке 1.2 слева - представлен чертеж отражателя нейтронов ядерного реактора СМ, справа - горизонтальное сечение. Отражатель нейтронов состоит из бериллиевого блока, составленного в данном случае из трех частей (1), которые размещены последовательно друг за другом по высоте внутри герметичного чехла (2) с зазором (3) между бериллиевым блоком и внутренней поверхностью чехла, который поддерживается дистанционаторами (4). Представленный вариант конструкции отражателя нейтронов из бериллия соответствует существующей компоновке активной зоны реактора СМ. Поперечное сечение отражателя прямоугольное, он расположен более протяженной стороной к активной зоне реактора.

Рисунок 1.2 - Отражатель нейтронов [3]

1- бериллиевый блок, 2-герметичный чехол, 3-зазор, 4-дистанционаторы

Характеристика основы

 

Основа сплава (Ве) – металл светло-серого цвета. В форме α-модифкации с гексагональной плотноупакованной решеткой существует, от комнатной температуры до 1245⁰С. Выше температуры полиморфного превращения до температуры плавления (Т=1284ºС) находится в форме β-модификации с решеткой объемоцентрированного куба. Некоторые свойства бериллия приведены в таблице 1.2 [2].

 

Таблица 1.2 - Свойства бериллия [1]

Тип решетки	ГПУ/ОЦК
Параметр решетки, нм	а=0,2281;с=0,3577/а=0,255
Порядковый номер
Атомный диаметр, нм	0,19
Атомный объем, 10-6 м3/моль	4,88
Атомная масса, а.е.м.	9,01
Температура полиморфного превращения, °С
Сечение захвата тепловых нейтронов, 10-28 м2/ат	0,01
Плотность, 103 кг/м3	1,85
Температура плавления, °С
Температура кипения,°С
Теплопроводность, Вт/(м×К)
Термическое расширение, 10-6 °С-1	13,4 – 17,6
Предел прочности при растяжении, МПа	588-637
Предел текучести при растяжении, МПа	245-588
Относительное удлинение, %	4-12
Модуль нормальной упругости, Гпа	275-363
Модуль сдвига, Гпа
Коэффициент Пуассона	0,10-0,01
Твердость по Бринеллю, МПа	490-900

Примечание: все свойства указаны при комнатной температуре. Разброс значений по данным разных источников [1].

 

Металлический бериллий обладает малой плотностью, имеет высокую прочность и высокий модуль упругости. Причем упругие свойства бериллия не меняются с повышением температуры. Однако механические свойства Ве сильно зависят от способа получения компактного металла (порошковая металлургия, плавка), механической и термической обработки изделия [4,5]. Также прочностные свойства бериллия зависят от размера зерна. Из рисунка 1.3 следует, что лучшими свойствами обладает мелкозернистый бериллий.

 

 

Рисунок 1.3 - Зависимость прочностных свойств бериллия от размера зерна

1- разрушающие напряжения; 2- предел текучести [3]

 

При повышении температуры происходит снижение прочности и увеличение пластичности, что отражено на рисунке 1.4.

 

Рисунок 1.4 - Зависимость механических свойств мелкозернистого Ве высокой чистоты

1- предел прочности при растяжении σ_в; 2- удлинение δ; 3- поперечное сужение ψ [3].

 

Как показано на рисунке 1.5 по удельной жесткости Ве превосходит все металлы и сохраняет это свойство до 500-600⁰С.

Рисунок 1.5 - Зависимость удельной жесткости от температуры для различных материалов [4]

 

Бериллий обладает большой теплопоглощающей способностью, имеет высокую теплоемкость и теплопроводность [3]. Еще большее количество тепла поглощается при сублимации бериллия и его соединений. Необычные тепловые свойства и малый вес позволяют использовать бериллий, его оксиды и соединения в качестве теплозащитных покрытий. В таблицах 1.2,1.3 рассмотрены температурный коэффициент линейного расширения в интервале температур 293-473 К, a=12*10^-6 К^-1, и теплопроводность в зависимости от температуры

 

Таблица 1.2 - Температурный коэффициент линейного расширения в интервале 293-473 К

a = 12Ч10^-6 К^-1. В зависимости от температуры [5]

Т, К
a ×106, K-1			14,5

По данным таблицы видно, что в зависимости от температуры, a возрастает, это значит что относительный объем изделия из бериллия будет увеличиваться с повышением температуры.

 

Таблица 1.3 - Теплопроводность в зависимости от температуры[5]

Т, К	20*	60*	95*	373**	573**	773**	973**	1273**
l, Вт/(м×K)	2930,0	2005,0	1464,0	179,0	152,0	129,0	93,0	81,0

Как видно из таблицы максимальную теплопроводность бериллий будет иметь при 20 К, а при рабочей температуре в 523К теплопроводность значительно уменьшится.

Бериллий обладает высокой химической активностью, но благодаря образованию прочной защитной пленки оксида бериллия, он устойчив на воздухе, в концентрированной азотной кислоте, но легко разрушается под действием раствора соляной, плавиковой и разбавленной серной кислот. Коррозионная стойкость бериллия в газовых средах также невысока. При комнатной температуре бериллий реагирует с фтором, а при повышенных температурах с другими галогенами и сероводородом [5].

Бериллий имеет высокие ядерные характеристики – самое низкое среди металлов эффективное поперечное сечения захвата тепловых нейтронов и самое высокое поперечное сечение их рассеяния.

Благодаря своим уникальным ядерно-физическим свойствам, бериллий, широко используется в атомной технике. Малое сечение поглощения тепловых нейтронов и высокий коэффициент замедления, удовлетворительные механические характеристики и высокая теплопроводность в исходном состоянии позволяют применять бериллий в качестве замедлителя и отражателя нейтронов активных зон ядерных реакторов [4].

Также, для реактора на промежуточных нейтронах, бериллий является лучшим замедлителем. Обыкновенная вода уступает бериллию, поскольку из-за снижения сечения рассеяния у водорода при энергиях больше 0,1 МэВ легче пропускает через свой объём быстрые нейтроны, чем бериллий [2].

При огромном количестве достоинств, у бериллия всё же есть несколько недостатков. Во-первых, это высокая стоимость данного металла, связанная с дефицитностью исходного сырья и сложностью его переработки, во-вторых, бериллий подвержен хладноломкости (ломкость при холодной механической обработке). Хладноломкость в бериллии присутствует до температуры 500К. Однако, хладноломкость бериллия можно предотвратить легированием алюминия, так же уменьшение размера зерна снижает температуру хрупко-вязкого перехода.