Требования, предъявляемые к конструкционным материалам , диктуются назначением и условиями эксплуатации их оборудования и конструкций, определяемых назначением и типом реактора.
Наиболее высоким требованиям должны отвечать конструкционные материалы активной зоны реактора.
В ядерных энергетических установках разрушение вследствие коррозии, например, оболочек твэлов, теплообменников, каналов может привести к останову . Кроме того, поступление продуктов коррозии в первый контур, активация их в активной зоне и последующее отложение на элементах конструкции ухудшают обслуживание реактора и затрудняют проведение ремонтных работ. Среди аварий, приводящих к останову ядерной энергетической установки, значительная часть обусловлена коррозией. Поэтому при выборе конструкционных материалов ЯЭУ особое внимание должно уделяться обеспечению их высокой коррозионной стойкости.
В настоящее время основными конструкционными материалами для оборудования АЭС являются сплавы циркония, нержавеющие стали аустенитного класса, низколегированные стали, стали перлитного класса, сплавы алюминия.
Сущность и формы проявления коррозии металлов в достаточной мере изложены выше. Но для ядерных энергетических установок, кроме всех видов коррозии, протекающих на оборудовании ТЭС, наиболее характерны межкристаллитная коррозия аустенитных нержавеющих сталей и коррозия циркониевых сплавов.
Межкристаллитная коррозия является наиболее опасным видом коррозионного повреждения. Коррозия развивается по границам зерен кристаллов в виде трещин, интенсивное развитие которых может вызвать разрушение металлоконструкций. Очень часто под действием межкристаллитной коррозии разрушаются сварные соединения.
Развитие межкристаллитной коррозии протекает с некоторым ускорением: в начальный период разрушение металла происходит медленнее, затем скорость разрушения возрастает и может принять катастрофический характер. Так как межкристаллитная коррозия протекает в напряженных участках металла, ее принято называть коррозией под напряжением.
Коррозия сплавов циркония проявляется в виде образования на его поверхности пленок двуокиси циркония черного, серого и белого цветов с различными защитными свойствами.
При коррозии под напряжением в качестве критерия принимается время до разрушения металла, а в случае сплавов циркония — увеличение массы металла за счет кислорода, входящего в состав окисной пленки.
По коррозионной стойкости материалы делятся на совершенно стойкие, весьма стойкие, стойкие, пониженно-стойкие, малостойкие и нестойкие. Реакторные материалы должны соответствовать третьей группе — стойкие, скорость коррозии 0,01—0,05 мм/год или 0,25-1,2 г/(м2*сут).
На протекание коррозии оказывают влияние наличие и концентрация агрессивных агентов (кислорода, углекислоты, хлор-иона и т. д.), солевой состав воды, значение рН, температура и скорость движения воды, наличие механических и термических деформаций, ионизирующее излучение и т.д.
Контур многократной принудительной циркуляции (МПЦ) реактора (для — первый контур) изготовляется в основном (до 65% поверхности контура) из нержавеющей стали аустенитного класса типа Х18Н10Т. Оболочки твэлов и технологические каналы изготовляются из сплава циркония с ниобием. На двухконтурных АЭС изготовляются корпуса реакторов из стали перлитного класса типа 12Х2МФА. Углеродистая сталь в первом контуре двухконтурной АЭС в условиях борного регулирования реактивности реактора не применяется.
Температура теплоносителя в контуре МПЦ равна для корпусных реакторов 280-320 °С.
К коррозионным агентам относятся хлориды и борная кислота (корпусной реактор).
Скорость коррозии нержавеющей стали не менее, чем в 10 раз ниже скорости коррозии углеродистой стали при одинаковых условиях. На скорость коррозии практически не влияют содержание в воде кислорода, углекислоты, снижение значения рН вплоть до трех и повышение солесодержания за счет сульфатов, нитратов, фосфатов и карбонатов; не оказывает заметного влияния и скорость движения теплоносителя.
Увеличение температуры мало влияет на скорость коррозии нержавеющей стали, которая даже в кислородсодержащих средах мала и составляет 50-100 мг/(м2*сут). При температуре выше 200 °С скорость коррозии несколько возрастает, но сталь остается стойкой.
Заметно увеличивают скорость коррозии нержавеющих аустенитных сталей в условиях работы контура МПЦ хлориды и фториды. Помимо общей коррозии для стали характерна коррозия под напряжением при совместном воздействии кислорода и хлоридов (фторидов). Это крайне опасный вид разрушения, проявляющийся в виде трещин в металле, что при малой общей коррозии может вызвать за короткое время разрушение металлоконструкций.
Так как в условиях работы ядерного реактора наличие кислорода обусловлено радиолизом воды и содержание его может быть достаточно велико, единственной возможностью предупредить коррозионное растрескивание является снижение содержания хлор-иона. Расчетным путем установлено, что при содержании хлоридов 500 мкг/л разрушение аустенитной стали в условиях работы контура МПЦ может наступить через 1000 ч работы.
Накапливающиеся на поверхности контура МПЦ окислы трехвалентного железа, так же как и кислород, играют роль деполяризатора и могут способствовать коррозионному растрескиванию.
Такое растрескивание при перечисленных выше условиях может происходить в щелях, микротрещинах, под слоем отложений и т. д. В указанных местах происходит концентрирование хлоридов за счет упаривания воды. При температурах, близких к 300 °С, коэффициент распределения хлоридов между кипящей водой и паром составляет около. Это означает, что практически все хлор-ионы остаются в воде, в щели или под отложениями, и концентрация их в пристенном слое воды может достичь опасных значений, несмотря на низкую концентрацию в контурной воде.
С точки зрения накопления на поверхности нержавеющей стали значительной концентрации хлоридов особенно опасно попеременное увлажнение и высыхание поверхности, что происходит, например, в сепараторах и парогенераторах. При температуре 300 °С и концентрации кислорода в паре 3040 мг/кг поверхностная концентрация хлоридов, равная 10 мкг/см2, приводит к коррозионному растрескиванию.
Даже обессоленная вода, просочившаяся через тепловую изоляцию, вымывает из нее хлориды. Попадая на горячую поверхность и испаряясь, вода оставляет пленку соли. Образующаяся пленка солей гигроскопична. Коррозионное растрескивание в этих условиях наиболее интенсивно протекает при температуре 70-110 °С.
Для защиты наружной поверхности нержавеющих трубопроводов на них наносится комбинированное покрытие: металлизация алюминием толщиной 0,1-0,2 мм и термостойкие эмали.
Цирконий и его сплавы легко пассивируются. В процессе коррозии при высоких температурах на поверхности сплавов циркония образуется защитная пленка двуокиси циркония, прочно сцепленная с металлом. При температуре 320-330 °С или в присутствии активаторов (кислорода, аммиака, карбонатов, гидратов) защитная пленка, изменяя свой состав и структуру, сереет, а затем белеет, становится рыхлой, осыпается, защитные свойства ее снижаются. Таким образом, цвет окисной пленки свидетельствует о степени ее стойкости.
С увеличением концентрации кислорода в воде скорость коррозии сплавов циркония пропорционально возрастает. Так, при повышении содержания кислорода с 0,1 до 10 мг/л скорость коррозии увеличивается с 10 до 100 мг/(м2*сут). Добавление в воду аммиака до рН=10 (первый контур ВВЭР) на скорость коррозии до температуры 300 °С не влияет. В то же время повышение рН до 11-13 за счет нелетучих щелочей (LiOH, NaOH, KOH) приводит к интенсивной коррозии сплавов циркония.
При совместном воздействии на цирконий аммиака и кислорода при температуре
280 300 °С увеличивается его коррозия с образованием рыхлой пленки. Объясняется
это явление образованием азотной кислоты и взаимодействием с ней окисной пленки.
На скорость коррозии циркониевых сплавов не влияет подкисление воды до рН = 3, в частности при добавлении борной кислоты в воду первого контура реактора ВВЭР. Содержание хлоридов в воде до 100 мкг/л не сказывается на стойкости сплавов циркония. Однако с ростом содержания хлоридов до 500 мкг/л защитные свойства окисной пленки снижаются.
Углекислота в количестве более 1 мг/л при температуре до 350 °С усиливает коррозию циркониевых сплавов с образованием на их поверхности рыхлой осыпающейся пленки. Это объясняется образованием в результате гидролиза карбоната циркония, менее прочно связанного с металлом.
Нейтронное облучение при температуре 280-300 °С в малой степени влияет на коррозионную стойкость циркониевых сплавов. При температуре же выше 350 °С облучение увеличивает скорость коррозии циркония. При совместном воздействии облучения и теплового потока скорость коррозии может достичь опасных значений.
Повышение температуры среды выше 350 °С приводит к коррозии циркониевых сплавов с образованием рыхлой осыпающейся пленки. Максимальная температура применения циркония 320-330 °С ограничена коррозионной стойкостью. Любое ухудшение теплосъема или временное повышение содержания агрессивных примесей в воде контура может привести к образованию рыхлой пленки. Последующее улучшение теплосъема и снижение содержания примесей до норм уже не может восстановить прежние защитные свойства пленки.
Переход продуктов коррозии циркония в воду в условиях работы первого контура ВВЭР составляет около 3 мг/(м2*сут) при скорости коррозии около 200 мг/(м2*сут).
Скорость коррозии низколегированной перлитной стали в условиях аммиачно-борно-калиевого режима составляет 0,3-0,4 г/(м2*сут). Коррозия происходит равномерно, в воду переходит до 80 % образующихся продуктов коррозии.
Защита от коррозии материалов контуров многократной принудительной циркуляции заключается в очистке воды от коррозионных агентов (хлоридов, фторидов, углекислоты, ионов натрия и т. п.). В воду контура реакторов ВВЭР дополнительно вводятся щелочи.
При строительстве нового спортивного сооружения не обходится без производства и монтажа наливных спортивных покрытий. Продажа резиновой плитки и бесшовных покрытий для спортивных залов доступно по ссылке выше.