Создание радиационно-стойких сплавов на основе ванадия и разработка способов их получения для оболочек твэлов реакторов на быстрых нейтронах и установок водородной энергетики

1. Проведен анализ научно-технической литературы по составам, режимам обработки, эксплуатации и свойствам конструкционных материалов для реакторов на быстрых нейтронах.
2. Подготовлено обоснование выбора химического состава и режимов обработки ванадиевых сплавов для проведения исследования.
3. Составлен и оформлен промежуточный отчет.

Целью работ, по настоящему государственному контракту, является создание радиационно-стойких материалов на основе сплавов ванадия (V–Ti–Cr) для оболочек твэлов реакторов на быстрых нейтронах с увеличенным ресурсом эксплуатации, работающих в режиме замкнутого топливного цикла при температурах до 1000 С, уровнях повреждения до 200 смещений на атом и выгораниях топлива до 20 % тяжелых атомов.
Объектом исследования являются сплавы системы V-Ti-Cr и ферритная нержавеющая сталь и полученный из них трехслойный лист.
На втором этапе работы проведен выбор методик исследований структуры и механических свойств сплавов. Исследована микроструктура исходных листовых полуфабрикатов – ферритной стали 12Х17 и сплава ванадия V-4Ti-4Cr, выбранных в качестве компонентов для создания опытных образцов материала. Проведены исследования структуры трехслойного листа (триплекса) «сталь 12Х17 - сплав V-4Ti-4Cr - сталь 12Х17», полученного горячей прокаткой в герметичном вакуумированном контейнере пакетным методом.. Исследована структура зоны соединения трехслойного листа толщиной 1 мм после отжигов при температурах 850 - 1000 С и элементный состав в зоне соединения исходных материалов. Проведены механические испытания на растяжение опытных образцов сплава V-4Ti-4Cr, стали 12Х17 и триплекса при температурах 20…850 С.
На основе анализа результатов исследования структуры и механических свойств опытных образцов сплавов в исходном состоянии и полученного из них триплекса, уточнен состав исходных материалов, технология изготовления и режимы обработки образцов триплекса для проведения дальнейших работ по теме госконтракта.

На третьем этапе работы разработан способ сочленения трубных заготовок из ванадиевого сплава V-4Ti-4Cr и плакирования (очехлования) их нержавеющей ферритной сталью типа 12Х17 методом горячей прокатки в вакуумированном контейнере.
По разработанной технологии изготовлены слитки из ванадиевого сплава V-4Ti-4Cr и образцы труб из сплава указанного состава размером ?15 x 2,5 мм, плакированные ферритной сталью 12Х17.
Проведен комплекс исследований структуры и механических свойств образцов полуфабрикатов и образцов труб. Проведена предварительная аттестация образцов плакированных труб по структуре и механическим свойствам в интервале температур 20 – 1000 ?С.
Качество сварного соединения слоев биметаллической трубы после холодной обработки до размера ?15 x 2,5 мм удовлетворительное. Толщина плакированного слоя нержавеющей стали на поверхности труб составляет 70 мкм. В переходной сварной зоне на границе слоев между ванадиевым сплавом и сталью отсутствуют поры, расслоения, крупные неметаллические включения и другие дефекты. Показано, что при деформировании прокаткой и при механических испытаниях на растяжение при температурах 20-1000?С каких-либо расслоений, растрескиваний и разрушений в сварной зоне композита не происходит.
Предел прочности образцов труб при температурах испытания до 900 ?С сохраняется на уровне не ниже 230 МПа при относительном удлинении не ниже 35-40 %.
Проведено патентное исследование и подготовлен отчет по ГОСТ Р 15.011-96.
Разрабатываемый материал для оболочек твэлов относится к новому классу радиационно-стойких нанокристаллических конструкционных материалов. Его использование позволит поднять по сравнению с существующими материалами (российскими и зарубежными аналогами) температуру эксплуатации оболочек твэлов с 650 до ?750 ?С, уровни повреждения с 80 до >150 сна и выгорания топлива с 10 до >17 % т.а.
Результаты работы позволят обеспечить необходимые для реакторов БН нового поколения характеристики конструкционного материала: высокую кратковременную и длительную прочность при температурах до 900 ?С, высокую радиационную стойкость (отсутствие охрупчивания и радиационного распухания за счет ванадиевого сплава) и высокую коррозионную стойкость в среде жидких металлов (за счет плакирования изделий хромистой сталью).
Изготовленные тонкостенные трубы из сплава V-4Ti-4Cr будут обладать более высокой жаропрочностью и радиационной стойкостью, что обеспечит увеличение инкубационного периода повреждения и срока службы изделий в реакторе, повышение надежности и улучшение экологических характеристик реакторов на быстрых нейтронах в результате реализации замкнутого топливного цикла. Такие свойства материалов оболочек обеспечат их конкурентоспособность на внутреннем и внешнем рынке.

Исследование влияния электронного и нейтронного облучения на структуру сплавов показало высокую радиационную стойкость ванадиевого сплава. Подготовлена программа облучения образцов из разработанного ванадиевого сплава в реакторе БОР-60 и послереакторных исследований.
Разработанный ванадиевый сплав для оболочек твэлов относится к новому классу радиационностойких нанокристаллических конструкционных материалов. Его использование позволит поднять по сравнению с существующими материалами – аустенитными и феррито-мартенситными сталями (российскими и зарубежными аналогами) температуру эксплуатации оболочек твэлов с 650 до ?750 ?С, уровни повреждения с 80 до >150 сна и выгорания топлива с 10 до >17 % т.а. и обеспечить необходимые для реакторов на быстрых нейтронах нового поколения характеристики конструкционного материала оболочек: высокую кратковременную и длительную прочность при температурах до 900 ?С, высокую радиационную стойкость (отсутствие радиационного распухания и охрупчивания за счет ванадиевого сплава) и высокую коррозионную стойкость в среде жидкометаллических теплоносителей (за счет плакирования изделий нержавеющей ферритной сталью). Такие свойства материала оболочек обеспечат их конкурентоспособность на внутреннем и внешнем рынке.
По результатам работы подана заявка на Патент РФ № 20081400364 от 13.10 2008. Опубликовано четыре статьи в рецензируемых журналах.
Изготовленные из сплава V-10Ti-5Cr тонкостенные трубы для оболочек тепловыделяющих элементов реакторов на быстрых нейтронах будут обладать более высокой жаропрочностью и радиационной стойкостью, что обеспечит увеличение инкубационного периода повреждения и срока службы изделий в реакторе, повышение надежности и улучшение экологических характеристик реакторов на быстрых нейтронах в результате реализации замкнутого топливного цикла.