Для реакторов с водным теплоносителем циркониевые сплавы являются наиболее распространенным материалом для изготовления оболочек ТВЭЛов (сплав с 1% Nb) и технологических каналов (сплав с 2,5% Nb). Основное преимущество этих сплавов – малое сечение захвата нейтронов, в связи с чем при их применении допускается меньшее обогащение урана, чем при применении в активной зоне аустенитных нержавеющих сталей. Циркониевые сплавы относятся к числу наиболее коррозионно-стойких – скорость их общей коррозии около 1 мг/м2. ч, т.е. даже несколько меньше, чем аустенитных нержавеющих сталей. Весьма важно, что конструктивно неизбежный контакт (сварка) циркония с аустенитными нержавеющими сталями не вызывает контактной коррозии. Не склонны циркониевые сплавы также к таким видам коррозии, как щелевая, межкристаллитная и под напряжением.
Возрастание теплового потока увеличивает скорость коррозии циркониевых сплавов. Поэтому необходимо стремиться к равномерности тепловой нагрузки по активной зоне. Скорость коррозии циркониевых сплавов зависит от температуры, но не от циклических нагревов и охлаждения. На скорость коррозии влияет давление пара: при постоянной температуре скорость тем выше, чем выше давление. Состав водной среды, во всяком случае, в пределах относительно мало отличающихся от обычных реакторных норм, на скорость коррозии циркониевых сплавов не влияет, за исключением хлоридов и фторидов. Значение рН во всем возможном диапазоне изменения его в реакторах и даже до рН = 11 на коррозию циркониевых сплавов не влияет.
Коррозия циркониевых сплавов имеет электрохимический характер, но протекает не с потерей массы, как у сталей, а с возрастанием ее за счет оксидной пленки, которая представляет собой моноклинную модификацию диоксида циркония. Коррозия циркониевых сплавов является сложным процессом. Сначала оксидная пленка растет на поверхности раздела металл - пленка, а кислород диффундирует сквозь пленку в металл, образуя твердый раствор кислорода в цирконии. Далее, в определенных условиях, термодинамически более устойчивым становиться не твердый раствор кислорода в цирконии, а его оксид. В связи с этим происходит перестройка кристаллической решетки твердого раствора в решетку диоксида циркония, избыток атомов циркония растворяется в оксиде и образуется твердый раствор циркония в его диоксиде.
При температурах выше или близких к предельно допустимым с течением времени вместо черной оксидной защитной пленки образуется белая осыпающаяся оксидная пленка, не защищающая сплав, скорость коррозии которого резко возрастает.
Относительно небольшие значения температур, допустимых по условиям сохранения высокой общей коррозионной стойкости, - основной недостаток циркониевых сплавов (не считая, конечно, его дороговизны). На основе многочисленных исследований в настоящее время в атомной энергетике, использующей циркониевые сплавы, приняты следующие допустимые температуры среды в активной зоне: 285 0С – для кипящих реакторов (отсюда принятое во всем мире давление в этих реакторах, выдающих насыщенный пар 17,0 МПа) и 335 0С – в условиях реакторов, охлаждаемых водой под давлением. Установлено, что при этих температурах не проявляется влияние облучения на скорость коррозии циркониевых сплавов. При более высоких температурах облучение тем значительнее увеличивает скорость коррозии, чем выше температура воды.
Особенностью циркониевых сплавов является их склонность к наводороживанию. В течение начального периода окисления в цирконии растворяется 30-40% “коррозионного” водорода, на втором этапе – растворяется весь остальной “коррозионный” водород. Образующиеся при этом гидриды циркония в определенных условиях, зависящих от технологии изготовления циркониевых труб, могут вызвать значительное охрупчивание сплава циркония, недопустимого по условиям эксплуатации. Циркониевые сплавы эрозионно стойки – допустимы скорости воды до 9 м/с без изменения скорости коррозии сплава.
Вывод: Циркониевые сплавы – один из наиболее стойких конструкционных материалов, что обуславливает его применение в активной зоне реактора.
Вопросы для самоконтроля
1. Какие требования предъявляются к конструкционным материалам реакторостроения?
2. Какие особые требования предъявляются к конструкционным материалам активной зоны?
3. Какие металлы имеют наименьшую площадь сечения захвата тепловых нейтронов, менее 
м2?
4. Чем ограничено применение в качестве конструкционных материалов АЭУ магния и алюминия?
5. Основной материал активной зоны в отечественных АЭР?
6. Какой состав сплава циркония с ниобием используется для оболочек ТВЭЛов?
7. Какой состав сплава циркония с ниобием используется для изготовления чехловых труб, кассет и канальных технологических труб?
8. Какие материалы используются при изготовлении корпусов реакторов, теплообменных аппаратов, трубопроводов?
9. Что такое феррит?
10. Что такое перлит?
11. Что такое аустенит?
12. Какие основные легирующие добавки к стали Вы знаете?
13. Какие сплавы применяются для конденсаторных труб?
14. Какое свойство аустенитных нержавеющих сталей побуждает наплавлять ими внутреннюю поверхность перлитных корпусов ВВЭР?
15. Что является недостатком аустенитных нержавеющих сталей?
16. Какие стадии наблюдаются при коррозионном растрескивании?
17. Какие продукты могут скапливаться на дне трещины при коррозионном растрескивании аустенитных нержавеющих сталей?
18. Как взаимосвязаны между собой концентрации кислорода и хлоридов при коррозионном растрескивании аустенитных нержавеющих сталей?
19. Каким видам коррозии подвергаются латуни?
20. Каким важным свойством обладают латуни?
21. Какому виду коррозии подвергаются латуни при одновременном наличии в паре кислорода и аммиака?
22. К каким видам коррозии не склонны циркониевые сплавы?
23. Как влияет рН на скорость коррозии циркониевых сплавов?
24. Какая особенность электрохимической коррозии циркониевых сплавов в сравнение со сталью?
25. Что является недостатком циркониевых сплавов?
Таблица 2. Характеристика основных конструкционных материалов реакторостроения
| Наименование материалов | Состав | Область применения | Достоинства | Недостатки |
| Циркониевые сплавы | сплав с 1% Nb сплав с 2,5% Nb | Оболочки ТВЭЛов Чехловые трубы, кассеты и канальные технологические трубы | Малое сечение захвата нейтронов, относятся к числу наиболее коррозионно-стойких (скорость их общей коррозии около 1 мг/м2. ч), не склонны к контактной, щелевой, межкристаллитной коррозии и коррозии под напряжением. | Усиление коррозии под воздействием теплового потока, давления, склонность к наводороживанию. |
| Качественные углеродистые стали (Сталь 20) | C – 0,17-0,24%; Mn – 0,35-0,65%; Si – 0,17-0,37%; Ni – 0,25%; Cr – 0,25%; Cu – 0,25%; S – 0,04%; P – 0,35% | Корпуса реакторов, корпуса и трубчатка теплообменных аппаратов, компенсаторов объема (давления), насосы, трубопроводы, арматура и вспомогательное оборудование ЯЭУ | Механические свойства, удовлетворяющие требованиям атомного энергетического машиностроения, хорошие экономические показатели, не подвержены коррозионному растрескиванию под напряжением. | Малая общая коррозионная стойкость, склонность к язвенной коррозии, радиационному охрупчиванию. |
| Аустенитные нержавеющие стали ‒ Х18Н10Т | C – 0,08%; Cr – 18-20%; Ni – 8-10,5%; Mo – 2%; Si – 1%; S – 0,03% | Оболочки ТВЭЛов, каналы и другие элементы активной зоны; изготовление трубопроводов первого и второго контуров ВВЭР, парогенераторов, теплообменников, циркуляционных насосов и арматуры, а также для плакирования корпусов реакторов, изготовленных из низколегированных сталей. | Меньшее охрупчивание под действием нейтронного потока по сравнению с перлитными сталями, высокая жаропрочность, жаростойкость до температур 550-6000С, хорошая свариваемость, простая технология обработки, высокая общая коррозионная стойкость. | Большое сечение захвата нейтронов (до 3·10-28 м2), склонность к коррозионному растрескиванию, входящий в состав никель – источник образования в реакторе радиоактивного кобальта (период полураспада около 5 лет), который осложняет проведение работ. |
| Медные сплавы ‒ адмиралтейская латунь медно-никелевый сплав | Cu + Zn – 70-73%; Fе – 0,6%; Рb – 0,07%; Sn – 0,9-1,2%; As – 0,02-01% Cu - 86,5%; Ni - 9-11,0%; Mn - 1,0%; Fe - 1,0-1,8%; V - 0,05%; C - l,0% | Трубки конденсаторов, вспомогательные теплообменники и др. | Высокая общая коррозионная стойкость, большая теплопроводность. | Склонность к общему и пробочному обесцинкованию, коррозионному растрескиванию и усталости, кавитационной коррозии, эрозии. |
| 1. Какие требования предъявляются к конструкционным материалам реакторостроения? | а) прочность, пластичность, свариваемость; б) температуростойкость, коррозионная устойчивость; в) низкая коррозионная стойкость; г) низкая устойчивость к высоким температурам. |
| 2. Какие особые требования предъявляются к конструкционным материалам активной зоны? | а) нестойкость к воздействию интенсивных радиационных излучений; б) низкая коррозионная стойкость; в) малое сечение захвата тепловых нейтронов; г) высокая устойчивость к воздействию интенсивных радиационных излучений. |
| 3. Какие металлы имеют наименьшую площадь сечения захвата тепловых нейтронов, менее м2?
| а) титан, ванадий, никель, медь; б) бериллий, магний, цирконий, алюминий; в) ниобий, молибден, железо, натрий; г) калий, литий, кальций, стронций. |
| 4. Чем ограничено применение в качестве конструкционных материалов АЭУ магния и алюминия? | а) низкой стойкостью к коррозии; б) низкой теплопроводностью; в) низкими температурами плавления этих металлов; г) высокой площадью сечения захвата тепловых нейтронов. |
| 5. Основной материал активной зоны в отечественных АЭР? | а) сплав циркония с ниобием; б) латунь; в) углеродистая сталь; г) бронза. |
| 6. Какой состав сплава циркония с ниобием используется для оболочек ТВЭЛов? | а) цирконий с 10% ниобия; б) цирконий с 2,5% ниобия; в) цирконий с 1% ниобия; г) цирконий с 5% ниобия. |
| 7. Какой состав сплава циркония с ниобием используется для изготовления чехловых труб, кассет и канальных технологических труб? | а) цирконий с 20% ниобия; б) цирконий с 2,5% ниобия; в) цирконий с 10% ниобия; г) цирконий с 0,5% ниобия. |
| 8. Какие материалы используются при изготовлении корпусов реакторов, теплообменных аппаратов, трубопроводов? | а) аустенитные нержавеющие стали; б) медные сплавы в) никелевые сплавы; г) ферритные и перлитные стали. |
| 9. Что такое феррит? | а) это α-железо, содержащийся в твердом растворе 0,04 – 0,05% углерода; б) это смесь феррита и карбидов железа Fe3C; в) это твердый раствор углерода в γ-железе; г) это сплав меди с цинком. |
| 10. Что такое перлит? | а) это α-железо, содержащийся в твердом растворе 0,04 – 0,05% углерода; б) это смесь феррита и карбидов железа Fe3C; в) это твердый раствор углерода в γ-железе; г) это сплав меди с никелем. |
| 11. Что такое аустенит? | а) это α-железо, содержащийся в твердом растворе 0,04 – 0,05% углерода; б) это смесь феррита и карбидов железа Fe3C; в) это твердый раствор углерода в γ-железе; г) это сплав цинка с никелем. |
| 12. Какие основные легирующие добавки к стали Вы знаете? | а) хром, никель, марганец, титан; б) литий, кальций, стронций; в) железо, кобальт, натрий; г) магний, алюминий. |
| 13. Какие сплавы применяются для конденсаторных труб? | а) адмиралтейская латунь и медно-никелевые сплавы; б) аустенитная нержавеющая сталь; в) углеродистая сталь; г) хромистая сталь. |
| 14. Какое свойство аустенитных нержавеющих сталей побуждает наплавлять ими внутреннюю поверхность перлитных корпусов ВВЭР? | а) высокая стойкость к коррозионному растрескиванию; б) высокая пластичность; в) меньшее охрупчивание под действием нейтронного потока; г) меньшее воздействие к высоким температурам. |
| 15. Что является недостатком аустенитных нержавеющих сталей? | а) сильное охрупчивание под действием нейтронного потока; б) склонность к коррозионному растрескиванию; в) высокая скорость общей коррозии; г) образования в реакторе радиоактивного кобальта. |
| 16. Какие стадии наблюдаются при коррозионном растрескивании? | а) стадия возникновения «зародыша» трещины и окисления легирующих добавок; б) стадия окисления железа и окисления легирующих добавок; в) стадия разрушения оксидной пленки на поверхности металла и восстановления кислорода; г) стадия возникновения «зародыша» трещины, развитие трещины и конечное лавинообразное разрушение. |
| 17. Какие продукты могут скапливаться на дне трещины при коррозионном растрескивании аустенитных нержавеющих сталей? | а) Na2O, Ca(OH)2; б) Fe2O3, Fe3O4, Cr2O3; в) KOH, CH4, HCl; г) H2O2, O2, H2SO4. |
| 18. Как взаимосвязаны между собой концентрации кислорода и хлоридов при коррозионном растрескивании аустенитных нержавеющих сталей? | а) чем больше в воде кислорода, тем большие концентрации хлор-ионов безопасны; б) никак не взаимосвязаны; в) чем меньше в воде хлор-ионов, тем большие концентрации кислорода безопасны; г) чем больше в воде хлор-ионов, тем большие концентрации кислорода безопасны. |
| 19. Каким видам коррозии подвергаются латуни? | а) пробочное обесцинкование; б) коррозионное растрескивание и коррозионная усталость; в) радиационная коррозия; г) ударная коррозия. |
| 20. Каким важным свойством обладают латуни? | а) стойкостью в коррозионному растрескиванию; б) стойкостью к ударной коррозии; в) большой теплопроводностью; г) малым сечением захвата тепловых нейтронов. |
| 21. Какому виду коррозии подвергаются латуни при одновременном наличии в паре кислорода и аммиака? | а) контактной коррозии; б) кавитационной коррозии; в) коррозионному растрескиванию; г) радиационной коррозии. |
| 22. К каким видам коррозии не склонны циркониевые сплавы? | а) к контактной коррозии; б) к щелевой коррозии; в) к охрупчиванию при наводороживании; г) к межкристаллитной коррозии и коррозии под напряжением. |
| 23. Как влияет рН на скорость коррозии циркониевых сплавов? | а) в кислых средах скорость коррозии уменьшается, а в щелочных – увеличивается; б) не влияет; в) увеличение рН увеличивает скорость коррозии; г) уменьшение рН увеличивает скорость коррозии. |
| 24. Какая особенность электрохимической коррозии циркониевых сплавов в сравнение со сталью? | а) коррозия протекает с уменьшением массы за счет разрушения оксидной пленки; б) коррозия протекает значительно быстрее; в) коррозия протекает значительно медленнее; г) коррозия протекает с возрастанием массы за счет образования оксидной пленки. |
| 25. Что является недостатком циркониевых сплавов? | а) склонность к щелевой коррозии; б) склонность к межкристаллитной коррозии; в) склонность к наводороживанию; г) склонность к контактной коррозии. |