Реферат: Реакторный графит: разработка, производство и свойства

На одном из предприятий была проведена попытка получить графит для КТК (условно графит ГР-76-КС) на основе сланцевого (смоляного) прокаленного кокса с микроструктурой Бср = 3,9—4,3 балла. Однако известно, что кокс с такой микроструктурой, хотя и дает хорошие значения теплопроводности, имеет пониженные прочность и плотность, а полученные графиты отличаются повышенной анизотропией свойств, что и подтвердилось на опытных партиях.

Дальнейшее совершенствование водо-графитовых атомных реакторов пойдет, как можно ожидать, по пути повышения их единичной мощности, увеличения гарантированного срока службы с одновременным повышением надежности при эксплуатации. Для этих целей Углеродпром и ЧЭЗ отрабатывают технологии получения нескольких марок графитов с высокими эксплуатационными характеристиками [17, 18].

В качестве сырья используется композиционный наполнитель из непрокаленных коксов, различных по природе и микроструктуре. Указанное, в сочетании с выбранным способом прессования, позволяет получать графиты с широким диапазоном свойств, необходимые для новых конструкций реакторов различных размеров. В целях устойчивости производства графитов разработана и внедрена в производство на ЧЭЗе технология получения пекового кокса с более низкой температурой окончания процесса коксования по сравнению с таковой на коксохимических предприятиях [19].

Свойства новых марок графитов, полученных в промышленных условиях ЧЭЗа, представлены в табл. 2.

Таблица 2 Свойства новых марок графитов на основе композиционных наполнителей, полученных на Челябинском электродном заводе

Марка графита на основе	Свойства	графитов
композиционного наполнителя	dk, г/см3	о,	МПа	Е, ГПа	X,	р, мкОм • м		ТКЛР, КГ6	к-1
изгиб				сжатие			Вт/(м -К)
ЧКГ-3 (0275x260 мм)	1,82	30,	2	52	,9	10,0	116	10	,3	4,2
ЧКГ-4 (0205x260 мм)	1,83	26,	4	58	,6	11,3	137	9,	4	4Д
ГРЧ (0125x1200 мм)	1,89	30,	5	83	,1	12,4	122	9,	0	5,0
ГРЧ (430x570x1300 мм)	1,79	19,	2	47	,3	8,6	152	8,	0	4,4
ГРЧ-Г (0260x230 мм)	1,89	23,	7	65	,1	11,0	164	8,	0	4,2

Таким образом, выполненные исследования позволили разработать технологию получения новых марок высокоплотных графитов с широким диапазоном свойств; значительно расширить габариты заготовок и изделий из них; внедрить в производство различное по своей природе сырье от нескольких поставщиков и разработать технологии получения новых видов сырья. Все это делает производство новых КУМ гибким и устойчивым и позволяет рассматривать сами материалы как перспективные для применения в атомных реакторах новых конструкций повышенной мощности (например, МКЭР-1500) с длительным сроком гарантированной эксплуатации.

Изменение свойств графита в условиях радиации

В результате многолетних радиационных испытаний углеродных материалов в исследовательских и промышленных реакторах и изучения свойств кернов, систематически выбуриваемых из кладок действующих реакторов, установлены закономерности поведения графита при облучении и зависимость наблюдаемых изменений от технических характеристик графита, в том числе от его структуры и свойств. Из последних важнейшим является радиационное изменение размеров или формоизменение (рис. la), поскольку определяет как конструктивную стабильность кладки, так и радиационное изменение макросвойств самого графита.

При низкотемпературном облучении (< 300 °С) усадка отсутствует, а первичное распухание V] стабилизируется на определяемом температурой уровне (А///),. При высоких дозах оно переходит во вторичное распухание со скоростью Vl (рис. la, кривая 7). Облучение при средних температурах (350—800 °С), соответствующих рабочим, вызывает усадку, идущую в водографитовых реакторах в течение 20—25 лет с постоянной скоростью v2. Усадка при Fm сменяется вторичным распуханием со скоростью V2 (кривая 2 на рис. 1). При высокотемпературном облучении (>900 °С) начальная усадка невелика или отсутствует и переходит во вторичное распухание со скоростью V$ (кривая 3).

Естественно, имеющая место в промышленных партиях упомянутая выше вариация структуры и свойств, внешних факторов (условий облучения, окисление, «качества» облучения и т.д.), отражается на указанных на рис. la показателях: скорость усадки растет как с уменьшением ТКЛР, так и особенно с ухудшением степени совершенства кристаллической структуры. При этом вторичное распухание наступает быстрее по дозе, его скорость выше (значения Fm и F0 уменьшаются, v увеличивается). Снижение плотности из-за распухания или окисления уменьшает скорость V. Рост температуры облучения сначала увеличивает V, а затем последняя снижается. Экстремум скорости распухания соответствует температуре 700—850 °С.

На рис. 2 для температуры облучения 350—450 °С даны дозовые зависимости формоизменения отечественного блочного реакторного графита ГР и графита TSX американского реактора N в Ханфорде [6]. У графита TSX выше формоизменение блоков кладки, особенно ее анизотропия. Низкую размерную стабильность графита обусловило использование высоко-анизометричного кокса Conventional.

Дозовые зависимости для графита ГРП-2 принципиально такие же, что и для графита ГР. При температурах 500—550 °С усадка в перпендикулярном направлении та же, а в параллельном — больше. Вторичное распухание начинается при большем флюенсе и идет с той же скоростью. Скорость усадки ГРП-2 близка к таковой у Н-451, а ее уровень меньше, чем у

Рис. 1. Зависимость относительных изменений размеров (а) и физических свойств (б) графита от флюенса нейтронов (/).

/о — критический флюенс нейтронов; р — электросопротивление; Е — модуль Юнга; К — термическое сопротивление (обратная теплопроводность); о — предел прочности при сжатии; Н — твердость. Температуры облучения (°С): 1 - 50-300; 2 - 300-900; 3 - >900

Рис. 2. Зависимость от флюенса нейтронов относительного изменения размеров образцов (/У//) реакторных графитов.

Ориентировка образцов — параллельно (||) и перпендикулярно (JL) высоте блока. Температура облучения 350—450 °С

Рис. 3. Зависимость относительного изменения длины образцов ВТГР различных марок от флюенса нейтронов.

Вырезка образцов перпендикулярно (а) и параллельно (б) длине заготовок. Температура 500—600 °С. 1 — ГРП-2; 2- Н-451; 3— ГР-1; 4 - ATR-2E; 5- IG-110

зарубежных графитов на основе прокаленных коксов ATR-2E и IG-110 (рис. 3).

Дозовые зависимости формоизменения при 350— 450 °С образцов мелкозернистых графитов: отечественных АРВу, МИГ-1, МИГ-2, ГСП и японского IG-110, облученных вместе в реакторе БОР-60, даны на рис. 4 [20]. Формоизменение прессованного АРВу, естественно, с обратной анизотропией близко к таковому «прошивного» ГР на рис. 2. При связывании порошка этого графита пироуглеродом скорость усадки такого композита резко возрастает из-за наличия не-графитированного компонента — пироуглерода. Усадка отформованных в изостате образцов остальных трех графитов изотропна и меньше, чем у АРВу. При этом МИГ-1 и -2 стабильнее японского реакторного графита. Положение показанных на рис. 4 кривых объясняется различием микроструктуры графитов и отличием значений их ТКЛР, с которым связано формоизменение.

Хорошая кристалличность, более прочные структурные связи, высокое значение ТКЛР графитов на основе непрокаленного нефтяного кокса обусловили их высокую радиационную стабильность [21]. По этой причине дозовые зависимости формоизменения ГР-1 близки к таковым для образцов МПГ. Его формоизменение существенно меньше, чем у графитов на основе прокаленных коксов: ГР (см. рис. 2) и ГРП-2,

Рис. 4. Зависимость относительного изменения размеров образцов мелкозернистых графитов на основе прокаленных нефтяных коксов от флюенса нейтронов.

1 - АРВу; 2 - IG-110; 3 - МИГ-1; 4 - МИГ-2; 5 - ГСП-90

а также зарубежных плотных графитов ATR-2E и IG-110 (рис. 3).

Скорость усадки и ее уровень у образцов матричного материала СПП-МПГ-Р был выше, чем у МПГ, несмотря на то, что наполнителем служил порошок графита МПГ (рис. 4). Определяющим здесь явилось поведение второй фазы — не полностью графитиро-ванного связующего [22].

Накопленные данные позволили наметить область надежной эксплуатации (life-time) реакторного графита ГР, что существенно прежде всего для прогнозирования ресурса кладок действующих реакторов. Для перпендикулярного направления, где вторичное распухание начинается раньше по дозе, на рис. 5 нанесена зависимость критического флюенса F0 от температуры. С ее ростом он снижается. Левее кривой — область, где вторичное распухание еще не развилось. Правее — область, в которой оно превалирует и идет с постоянной скоростью. Здесь графит может работать, теряя свою прочность ниже исходного значения до облучения. При этом разрушения кладки под собст-