Атомная энергетика. Металлы в атомной промышленности

1. Атомная энергетика

Металлы в атомной промышленности
Разработал студент
группы:
16-мм-5
Кокурин В.М.

2. Отрасль применения

Атомная энергетика (Nuclear power) - отрасль
энергетики, использующая ядерную энергию для целей
электрификации и теплофикации. Как область науки и
техники, разрабатывает методы и средства
преобразования ядерной энергии в электрическую и
тепловую.

3. Преимущества атома

• Огромная энергоемкость используемого топлива. 1 килограмм урана с
обогащением до 4%, используемого в ядерном топливе, при полном
выгорании выделяет энергию, эквивалентную сжиганию примерно 100
тонн высококачественного каменного угля или 60 тонн нефти.
• Возможность повторного использования топлива (после регенерации).
Расщепляющийся материал (уран-235) выгорает в ядерном топливе не
полностью и может быть использован снова В перспективе возможен
полный переход на замкнутый топливный цикл, что означает полное
отсутствие отходов.
• Ядерная энергетика не способствует созданию «парникового эффекта».

4. Недостатки

Опасность отравления человеческого организма и
окружающей среды канцерогенными радиоактивными
веществами на каждой из стадий топливного цикла — добычи
обогащения урана, управления реактором и его
обслуживания, сборки и захоронения (или переработки)
отходов.

5. Материалы для хранения радиоактивный отходов

Общепринятый подход к разработке
материалов для этих целей состоит из двух
стадий

6. 1 – я стадия

Контейнеры захоранивают в сухой и стабильной
геологической структуре. Применялись и применяются
боросиликатное стекло и боросиликатная керамика.
Главное требование, предъявляемое к такой керамике
сильная поглощающая способность по отношению к
ядерным частицам.

7. 2 – я стадия

Испытываются специальные сплавы, образующиеся в
системах Рb-B, Pb-Li и сплавы на основе титана. Сам
защитный материал изготовляется в виде керамики,
спеченной из порошков таких сплавов.

8. Принцип работы АЭС

Через активную зону прокачивается теплоноситель,
который омывает ТВЭЛы и уносит выделяющееся в них
тепло. Наличие теплоносителя в активной зоне, а также
большого количества конструкционных материалов в
условиях разветвлённой теплопередающей поверхности
не препятствует протеканию цепной реакции. Это
существенно облегчает технику теплосъёма по
сравнению, например, с реакторами синтеза, где
внесение посторонних веществ в зону протекания
ядерной реакции недопустимо.

9.

10. Материалы используемые в различных установках станции

Материалы, из которых строят реакторы, работают при высокой температуре в поле
нейтронов, γ-квантов и осколков деления. Поэтому для реакторостроения пригодны не
все материалы, применяемые в других отраслях техники. Применяемые материалы
должны обеспечить конструкционную прочность элементов атомной установки, то есть
быть прочными, пластичными, ряде случаев способными работать в условиях высоких
динамических нагрузок. Материалы должны быть технологичными, легко
подвергаться обработке давлением, резанием, прокатке, хорошо свариваться.
Механические характеристики материалов не должны изменяться в процессе
длительной эксплуатации при высокой температуре и в условиях изменения
механических напряжений, действующих на материал, по значению и знаку.
Некоторые материалы эксплуатируются в условиях вибрации, поэтому они не должны
разрушаться вследствие усталости, в том числе и малоцикловой, и должны обладать
высокой циклической плотностью.

11. Ядерно-горючие материалы

Сплавы
Фиссиумы
Сплавы плутонияСплавы тория
урана
(Mo, Ru, Tc, Rh, Pd)
(Fe, Al, Si, Cr,
Mo)

12. Композиционные материалы активной зоны

Графит
Соединения бора
Гафний
Сплавы серебра

13. Материалы корпуса реактора и других элементов атомных установок

Сплавы титана
Медные
сплавы
Хромистые
Перлитн
нержавеющие стали ые стали

14.

Реакторные материалы, особенно материалы
активной зоны, в процессе эксплуатации подвергаются
воздействию высоких механических нагрузок,
облучению в области температур до 800 К и выше.

15. Условия эксплуатации металлов

Материал
Аустенитные
нержавеющие стали
Перлитные
низколегированные
стали
Область применения
Оболочка ТВЭЛов,
технологические
каналы, трубопроводы
первого контура,
поверхность
парогенераторов,
насосы
Паропроводы
перегретого пара
одноконтурных
реакторных установок,
парогенераторов и
Максимальная
рабочая температура,
К
973
773

16.

Материал
Углеродистые стали
Область применения
Паропроводы насыщенного
пара одно - и
двухконтурных реакторных
установок, трубопроводы
коденсатно - питательного
тракта
Бористые нержавеющие
стали
Стержни системы
управления и защиты
Циркониевые сплавы
Оболочки ТВЭЛов, кассеты
и технологические каналы
реакторов, охлаждаемых
водой и жидкими
металлами
Алюминиевые сплавы
Магнитные сплавы
Оболочки ТВЭЛов и
технологические каналы
водоохлаждаемых
реакторов
Оболочки ТВЭЛов,
охлаждаемые углекислым
газом
Максимальная рабочая
температура, К
623
873
673
523
673

17.

Материал
Никелевые сплавы
Тугоплавкие металлы и их
сплавы
Медные сплавы
Область применения
Промежуточные
теплообменники реакторов
с жидкометаллическими
теплоносителями,
поверхность нагрева
парогенераторов и
регенеративных
подогревателей
Оболочки ТВЭЛов и другие
узлы первого контура
Поверхности нагрева
регенеративных
подогревателей,
конденсаторов и
вспомогательных
теплообменников
Максимальная рабочая
температура, К
1073
1273-1773
473

18. Свойства материала в реакторе

Для правильного выбора материалов необходимо
знать, как изменяются их свойства в процессе
эксплуатации ядерных энергетических установок.
Решение этой задачи, а также повышение указанных
выше характеристик материалов является одной из
основных задач реакторного материаловедения.

19.

Свойства материалов и сплавов
существенным образом зависят от дефектов
кристаллической решетки. Такие свойства
металлов, как способность сопротивляться
механическим нагрузкам, радиационная
стойкость, совместимость, связаны со
свойствами точечных и линейных дефектов
кристаллической решетки.

20. Первичные и вторичные эффекты радиационного повреждения в металлах

21. Первичный эффект

Первичным эффектом повреждения кристаллической
решётки металлов радиацией следует считать передачу
одному из атомов решётки достаточно большой
кинетической энергии и одновременную передачу
дополнительной энергии системе свободных и связанных
электронов.

22. Вторичный эффект

Ко вторичным эффектам облучения, приводящим к
наблюдаемым на практике радиационным дефектам
определённой конфигурации, следует отнести движение
и образование ассоциаций точечных дефектов. Этот
процесс зависит от реальной структуры кристаллов
(наличия нарушений кристаллической решётки, системы
дислокаций, примесей и т. п.) и энергии, переданной
системе свободных и связанных электронов.

23.

24. Основные требования, предъявляемые к замедлителям

Это высокая замедляющая способность и слабое поглощение нейтронов. Первому
требованию удовлетворяют в той или иной мере материалы с малым массовым
числом, а второму — вода (обычная и тяжелая), графит, бериллий, оксид бериллия.
Лучшей замедляющей способностью обладает обычная вода, однако она заметно
поглощает нейтроны. Вследствие этого ее коэффициент замедления, равный
отношению замедляющей способности к сечению поглощения нейтронов,
сравнительно невелик. Наивысший коэффициент замедления имеет тяжелая вода.
Несколько уступает тяжелой воде графитовый замедлитель. С нейтроннофизической точки зрения хорошим замедлителем является бериллий. Его
использование обеспечивает дополнительную генерацию нейтронов за счет
реакций. Однако из-за высокой стоимости, токсичности, химической активности при
контакте с водой в энергетических реакторах бериллий не используется.

25. Требования, предъявляемые к конструкционным материалам активной зоны

Материалы, предназначенные для оболочек твэлов,
дистанционирующих устройств, корпусов ТВС и
технологических каналов ( металлы и их сплавы),
должны иметь низкое сечение поглощения нейтронов,
необходимую механическую прочность, высокую
теплопроводность, обладать высокой радиационной и
коррозионной стойкостью, быть совместимыми с
ядерным топливом и теплоносителем.

26. ТВЭЛ (Тепловыделяющий элемент)

27.

ТВЭЛ включает в себя пружинную систему
удержания топливных таблеток на одном уровне, что
позволяет точнее регулировать глубину
погружения/выведения топлива в активную зону. Они
собраны в кассеты шестигранной формы, каждая из
которых включает в себя несколько десятков ТВЭЛов. По
каналам в каждой кассете протекает теплоноситель.

28.

Активная зона реактора состоит из сотен кассет, поставленных
вертикально и объединенных вместе металлической оболочкой –
корпусом, играющим также роль отражателем нейтронов. Среди
кассет, с регулярной частотой вставлены управляющие стержни и
стержни аварийной защиты реактора, которые в случае перегрева
призваны заглушить реактор.

29.

Управляющие  могут перемещаться вверх и вниз погружаясь или
наоборот, выходя из активной зоны, где реакция идет интенсивнее всего.
Это обеспечивают мощные электромоторы, в совокупности с системой
управления. Стержни аварийной защиты призваны заглушить реактор в
случает нештатной ситуации, упав в активную зону и поглотив больше
количество свободных нейтронов. Каждый реактор имеет крышку, через
которую производится погрузка и выгрузка отработавших и новых кассет.
Поверх корпуса реактора обычно устанавливается теплоизоляция.
Следующим барьером идет биологическая защита. Это как правило
железобетонный бункер, вход в который закрывается шлюзовой камерой с
герметичными дверьми. Биологическая защита призвана не выпустить в
атмосферу радиоактивный пар и куски реактора, если все таки произойдет
взрыв. Ядерный взрыв в современных реактора крайне мало возможен.
Потому что топливо достаточно мало обогащено, и разделено на ТВЕЛы.
Даже если расплавится активная зона, топливо не сможет настолько
активно прореагировать. Масимум что может произойти – тепловой взрыв
как на Чернобыле, когда давление в реакторе достигло таких величин, что
металлический корпус просто разорвало, а крышка реактора, весом в 5000
тонн сделала прыжок с переворотом, пробив крышу реакторного отсека и

30. Применение циркония и его соединений

31.

В ядерную технику этот металл пришел не сразу. Для
того чтобы стать полезным в этой отрасли, металл должен
обладать определенным комплексом свойств. (Особенно,
если он претендует на роль конструкционного материала
при строительстве реакторов.) Главное из этих свойств —
малое сечение захвата тепловых нейтронов. В принципе эту
характеристику можно определить как способность
материала задерживать, поглощать нейтроны и тем самым
препятствовать распространению цепной реакции.

32. Вывод

• Атомная энергетика одна из наиболее перспективных
отраслей глобальной экономики;
• Развитие атомной энергетики требует создания
принципиально новых материалов с улучшенными
свойствами;
• В настоящее время успешно разрабатываются опытнопромышленные технологии получения функциональных
веществ и изделий с использованием нанотехнологий и
наноматериалов для атомной отрасли экономики.