Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка композиции и технологии производства нового термически стабильного и радиационно-стойкого титанового сплава для энергетических установок нового поколения

Докладчик: Счастливая Ирина Алексеевна

Должность: Начальник лаборатории, ответственный исполнитель Проекта

Цель проекта:
1. Повышение безопасности перспективных атомных энергетических установок нового поколения, повышение их надежности, оказание минимального воздействия на окружающую среду, обеспечение возможности рециклинга металлоконструкций после окончания срока службы, многоцелевого применения, а также экономической целесообразности. 2. Разработка оптимизированного состава и технологии производства конструкционного титанового сплава, обладающего повышенными теплостойкостью (на 50-100°С по сравнению с применяемыми материалами), надежностью, ресурсом эксплуатации (до 80-100 лет), радиационной стойкостью и высоким темпом снижения наведенной активности.

Основные планируемые результаты проекта:
1. ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей» были выполнены фундаментальные исследования в области радиационного материаловедения титановых сплавов, в том числе разработаны методики исследований радиационных повреждений для стальных и титановых сплавов, был проведен комплекс исследований конструкционных титановых и стальных материалов в условиях нейтронного облучения для атомных энергетических установок, которые нашли свое изложение в многочисленных публикациях за последние 5-8 лет.
Перспективность использования титановых сплавов для корпуса атомного реактора подтверждается анализом и исследованиями ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей», ОАО «ОКБМ Африкантов», ФГБУ «Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», ОАО «НИКИЭТ» и другими научными центрами. Исследования радиационной повреждаемости конструкционных материалов является одной из приоритетных задач при создании энергетических установок нового поколения. При этом не все существующие методы исследования облученных конструкционных материалов позволяют обнаружить структурные изменения на нано-уровне, которые приводят к изменению физико-механических характеристик, объемных размеров, электропроводности и охрупчивания. Исследования бинарных композиций методом атомно-ионной спектроскопии показали возможность проведения количественной и качественной оценки радиационных дефектов в зависимости от содержания легирующих элементов и примесей в облученном материале.

2. Основными эксплуатационными и технологическими характеристиками разрабатываемого титанового сплава являются: высокая коррозионная стойкость и теплостойкость в среде теплоносителя при температурах до 400 ºС и ограниченного ресурса при 450 ºС; радиационная стойкость конструкционного материала за счет отсутствия хрупко-вязкого перехода в исходном и облученном состоянии до флюенса (1÷1,5)×10^20 н\см2 в интервале рабочих температур и при кратковременных сверхкритических параметрах; низкая склонность к радиационному распуханию; низкая активируемость и высокий темп снижения наведённой активности до безопасного уровня в течение 35-50 лет после окончания эксплуатации; высокая удельная прочность; отсутствие необходимости антикоррозионной наплавки и связанного с ней трудоемкого комплекса технологических операций.

3. Ожидаемые результаты реализации новых технологий носят прорывной характер и заключаются в разработке малоактивируемых материалов на основе радиационностойких свариваемых титановых сплавов для оборудования ЯЭУ, обладающих высокой коррозионной стойкостью в условиях водяного теплоносителя первого контура ЯЭУ, в создании на основе этих разработок экологически безопасных титановых материалов с быстрым спадом наведенной активности, во внедрении в производство технологий изготовления слитков с предельно низким содержанием примесей Co, Cr, Fe, N, Ni, Н, и активационных технологий их регистрации. Разработанные технологии позволят перейти к промышленному производству опытных образцов атомной техники и обеспечить преимущество отечественным производителям на международном рынке малой атомной энергетики.

4. Одна из проблем, которая может существенно осложнить и затормозить реализацию планов развития отечественной и мировой атомной энергетики лежит в области экологии. Она связана с неминуемым накоплением большого количества высокорадиоактивного металла корпусов атомных реакторов при выводе из эксплуатации блоков АЭС после истечения срока их безопасной эксплуатации. По результатам зарубежных и отечественных испытаний промышленных сплавов до флюенса 2,5×10^23 н/см2 в интервале температур 300-700 °С максимальной устойчивостью к нейтронному облучению и распуханию обладают стали ферритного класса и титановые сплавы, при этом ферритные стали на основе железа не обеспечивают необходимой коррозионной стойкости, оставаясь высокоактивными отходами в течение 150 лет после окончания срока службы.
Другая проблема заключается в создании корпусных конструкционных материалов для АЭУ нового поколения со сроком эксплуатации не менее 60 лет, устойчивых к радиационному охрупчиванию в условиях нейтронного облучения флюенсом не менее 2,5×10^20 н/см2 . Для стационарных реакторов большой мощности такая проблема решается конструктивно увеличением габаритов корпуса реактора и выбором состава легирующих и примесей сталей, а также термообработкой. Для АЭУ малой мощности, где габаритные характеристики и интегральная компоновка корпуса реактора с размещением внутри корпуса парогенератора, применение конструкционных материалов с высокой коррозионной и радиационной стойкостью, технологичностью при изготовлении является приоритетной задачей.
Несмотря на исключительную актуальность указанных проблем в мире фактически отсутствуют практические разработки, позволяющие подойти к созданию конструкционных материалов с быстрым спадом наведенной активности, повышенной радиационной и коррозионной стойкость для практического производства корпусов атомных реакторов.

5. В рамках выполнения Проекта будут решены следующие задачи:
- проведен расчетно-аналитического обзор по проблеме исследований термически стабильных, радиационно-и коррозионностойких конструкционных материалов с высоким темпом снижения наведенной активности. Выполнен анализ существующих методов количественного и качественного исследования радиационных дефектов конструкционных материалов;
- разработан состав конструкционного материала с повышенными теплостойкостью, радиационной стойкостью, высокой коррозионной стойкостью и высоким темпом снижения наведенной активности по сравнению с существующими аналогами РФ и за рубежом на основе формирования устойчивой в условиях нейтронного облучения микро- и наноструктуры для энергетических установок нового поколения;
- разработана принципиальная технология производства заготовок для корпусов атомных реакторов из конструкционного материала на основе математического моделирования параметров технологического процесса с целью формирования микро и нано-структуры;
- выполнено исследование закономерностей структурных превращений на микро- и наноуровне радиационного упрочнения и радиационного охрупчивания конструкционного материала на основе кристаллической решетки ГПУ;
- разработаны технические требования на поставку опытной партии полуфабрикатов из конструкционных материалов с повышенными тепло-стойкостью, радиационной стойкостью, высокой коррозионной стойкостью и высоким темпом снижения наведенной активности для обечайки корпуса реактора;
- разработаны технические требования для легирующих и примесных элементов, обеспечивающих химический состав сплава с высоким темпом снижения наведенной активности до безопасного уровня;
- разработан проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка промышленной технологии изготовления титановых сплавов и полуфабрикатов из них с повышенными характеристиками теплостойкости, радиационной и коррозионной стойкости, высоким темпом снижения наведенной активности для всесторонних аттестационных испытаний прототипа корпуса реактора энергетической установки».

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Разработанный состав конструкционного материала с повышенными характеристиками теплостойкости, радиационной стойкости, коррозионной стойкости и высоким темпом снижения наведенной активности, а также технология его производства будут использованы при проектировании, разработке и создании высокотехнологичных энергетических установок, в том числе перспективных атомных энергетических установок длительного срока эксплуатации не менее 60 лет, а также создании автономных необитаемых атомных энергетических модулей для подводных судов разведки, средств бурения, добычи и подготовки продукции при освоения арктических месторождений.

2. Внедрение ожидаемых результатов работ по Проекту будет производиться Индустриальным партнером (ОАО «ОКБМ Африкантов») при проведении опытно-конструкторских и опытно-технологических работ по проектированию атомной энергетической установки с использованием разработанных титановых сплавов, подготовки или модернизации производства ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» для изготовления слитков на основе высокочистого губчатого титана и внедрения технологии изготовления крупногабаритных полуфабрикатов, разработанной на основе
моделирования процессов горячей деформации.

3. Россия обладает большим опытом создания и эксплуатации атомных реакторов малой мощности в судовом машиностроении. Энергетические установки малой и средней мощности могут стать основой энергетики районов Крайнего Севера, Дальнего Востока, обслуживать нефтегазовую добычу, Северный морской путь, протяженные магистрали БАМа и Восточной Сибири. Модульные энергоблоки решают несколько проблем: возможность создания промышленного серийного производства энергетического модуля высокой заводской готовности, электро- и теплоснабжение районов Крайнего Севера, опреснение морской воды, локальное энергоснабжение ЖКК, транспорта, электроснабжение удаленных автономных потребителей.

Текущие результаты проекта:
- Проведен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы;
- проведено исследование вариантов возможных решений, обоснование и выбор основных направлений разработки составов;
- выбраны составы исследовательских плавок экспериментальных образцов;
- изготовлены заготовки (слитки) для экспериментальных образцов конструкционного материала.
- проведены патентные исследования.