Атомная наука и промышленность

Атомная наука и промышленность РАЗРАБОТКА И ПРОИЗВОДСТВО КОПИРУЮЩИХ МАНИПУЛЯТОРОВ ДЛЯ ОБЪЕКТОВ АТОМНОГО ЭНЕРГОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА РОССИИ Комраков В.М., Серебряков Б.А., Сорокин Б.В., ГНЦ ИФВЭПроработки новых технологий пристанционного топливного цикла, выполненные на рубеже веков, показали, что для наладки и ремонта оборудования, для устранения отклонений в процессах разделки и переработки ОЯТ потребуется большое количество копирующих манипуляторов, производство которых утрачено при распаде СССР. На российском рынке ниша манипуляторного оборудования оказалась заполненной зарубежными поставщиками. В силу трудоемкости и мелкосерийности изготовления стоимость манипуляторов высока, а предлагаемый номенклатурный ряд ограничивал выбор проектировщиков. Например, электромеханический манипулятор МЭМ-10, используемый на объектах ПО «Маяк», не имеет импортного аналога. На основе рекомендаций экспертной группы Минатомом России в 2001 году было принято решение о воссоздании отраслевого манипуляторостроения на производственной базе Государственного научного центра Российской Федерации – Института физики высоких энергий (ГНЦ ИФВЭ). Развитая производственная база ГНЦ ИФВЭ создана под проект мегаускорителя УНК-600/3000. Замораживание проекта УНК привело к сокращению персонала, но производственные мощности сохранены. Площадь производственных помещений превышает 70000 м2. Парк станочного и специального оборудования – свыше ста пятидесяти единиц. Вес обрабатываемых деталей – от долей грамма до 20 тонн. В ГНЦ ИФВЭ создается высокотехнологичное электрофизическое оборудование для собственных нужд и зарубежных ускорительных комплексов, разрабатываются и изготавливаются единичные и мелкосерийные изделия различного назначения. Отраслевой центр манипуляторостроения сформирован в отдельно стоящем здании технической площадки, доукомплектован современным металлообрабатывающим оборудованием, а также рабочими местами САПР для конструкторско-технологической группы. Центр получил лицензии Госатомнадзора России на конструирование и изготовление оборудования для АЭС и предприятий топливного цикла, переработал документацию и освоил производство отечественных манипуляторов М-58 и МЭМ-10. Для замены импортного оборудования в проектах хранилищ ОЯТ на ГХК и Смоленской АЭС разработаны и освоены в производстве манипуляторы ММК 10-2, ММК 10-2Г и ММК 25, применение которых не потребует существенных изменений в проектах. Центр манипуляторостроения производственной мощностью 50000 нормо-часов в год (в одну смену) выполняет все виды металлообработки, сварку, лазерную маркировку, порошковую окраску. Отраслевой центр работает в кооперации с подразделениями института, владеющими специальными технологиями (гальваника, термообработка, лазерный раскрой материала, производство резинотехнических и пластмассовых изделий, печатных плат). Отраслевым центром изготовлены комплекты манипуляторов типа М-58 для НИТИ им. А.П.Александрова, НПО «РИ им. В.Г.Хлопина» и ИРМ, партия электромеханических манипуляторов МЭМ-10СДГ1 для завода в Китае, манипулятор ММК 10-2 для зарубежной поставки, головной образец манипулятора ММК 25 для ХОЯТ на ГХК. На выходе модифицированный манипулятор ММК 10-2 для ЦНИИ РТК. В период до 2010 года отраслевой центр готов выполнить заказы на изготовление 12 пар манипуляторов типа М-58А для НПО «РИ им В.Г.Хлопина» (2007 год), 10 манипуляторов ММК 25 для ХОЯТ на ГХК и 24 манипуляторов ММК 10-2Г для ХОЯТ Смоленской АЭС (2009 год). Кроме того, отраслевым центром манипуляторостроения ведется подготовка к участию в комплектации оборудованием новых перерабатывающих комплексов, создаваемых в рамках ФЦП «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007-2010 годы и на перспективу до 2015 года». С этим связано три инновационных проекта ГНЦ ИФВЭ, реализация которых приведет к качественно новому уровню развития отраслевого центра и повышению конкурентоспособности его продукции. Инвестиционные проекты различаются по конечному продукту (манипуляторы различного типа) и, соответственно, по конечному потребителю продукции. Инновационный проект 1 2 3 Продукт ММК 25 ММК 10-2 МЭМ-10 Цена с НДС, млн. руб./шт. 3,5 1,15 5,0 Инвестиции, млн. руб.,в т.ч. НИОКРкапитальные вложения 30,05,025,0 2,52,50 55,05,050,0 Объем окупаемости, шт. 150 24 120 Основной потребитель ФЦП (НТП) Смоленская АЭС ПО «Маяк», ФЦП (НТП) Инвестиции направляются на достижение полного соответствия потребительских свойств копирующих манипуляторов требованиям заказчиков, на расширение номенклатуры продукции за счет модификаций освоенных в производстве моделей и на своевременную подготовку производства (капитальные вложения) к решению задач, возникающих при реализации ФЦП. Основные инвестиции в создание и развитие отраслевого центра манипуляторостроения вложены Минатомом России. В последние два года ГНЦ ИФВЭ израсходовал на поддержание и развитие отраслевого центра свыше 10 млн. рублей собственных средств. В результате центр уже сейчас готов поставлять на объекты отрасли копирующие манипуляторы четырех основных типов, упомянутых выше. Типовой ряд дает проектировщикам и потребителям возможность выбора оптимального варианта: манипуляторы различаются по способу передачи усилий оператора (электромеханический или механический), по конструкционным материалам (нержавеющая сталь, алюминиевые сплавы), по герметизации и биологической защите проходки, по геометрии и объему зоны обслуживания (цилиндрическая для М-58, сферическая для МЭМ-10, ММК 10-2 и ММК 25; от 1,5 м3 для МЭМ-10 до 12 м3 для ММК 25), по грузоподъемности (от 10 кг до 25 кг), по комфортности работы оператора. Высокий уровень разработки и производства копирующих манипуляторов, достигнутый отраслевым центром, подтверждается экспертными группами, приемочными и межведомственными комиссиями, дипломами и медалями специализированных выставок. Тем не менее, дополнительные инвестиции в развитие отраслевого центра по предлагаемым программам являются не только необходимыми, но будут в высокой степени эффективными и быстро окупаемыми. Инвестиции в НИОКР целесообразны в составе цены конкретного заказа на партию манипуляторов. Конструкторская группа отраслевого центра способна в сжатые сроки учесть требования заказчика, изменить геометрию зоны обслуживания и разработать специальную оснастку для выполнения сложных операций. Для получения конкурентного преимущества при проведении конкурсов на поставку копирующих манипуляторов целесообразно усилить уровень документального подтверждения качества и соответствия продукции требованиям технических условий. Это может быть сделано путем сертификации манипуляторов в специализированной Системе сертификации ОИТ с участием АНО «Атомсертифика». Манипуляторы отраслевого центра успешно прошли заводские, приемочные и межведомственные испытания под контролем Ростехнадзора и готовы к сертификационным испытаниям в аккредитованных центрах. Стоимость сертификации одного типа копирующего манипулятора оценивается величиной до 3 млн. рублей. Работа может быть выполнена только при наличии целевых инвестиций. Эти инвестиции окупаются при увеличении объемов реализации продукции за счет получения дополнительных заказов, размещаемых по конкурсу. Инвестиции в виде капитальных вложений, направляемые на приобретение современного высокотехнологичного оборудования, окупаются за более длительный период (до пяти лет), но для вывода отраслевого центра на новый качественный уровень их эффективность максимальна. Накопленный опыт показывает, что для производства отраслевого центра манипуляторостроения характерна работа в режиме пиковых нагрузок. На первом этапе выполнения заказа перегружен станочный парк, на втором - механосборочный участок. Вынужденные простои части персонала ухудшают экономические показатели. С увеличением объемов производства обеспечивается более равномерная загрузка персонала. Для этого необходимо установить дополнительно несколько единиц современного металлообрабатывающего оборудования, укомплектованного оснасткой и инструментом. Для выпуска крупных партий электромеханических копирующих манипуляторов МЭМ-10, которые могут с успехом использоваться для комплектации РТМ и реконструкции объектов ПО «МАЯК», необходимо организовать изготовление широкого ряда (около 100 видов) мелкомодульных зубчатых изделий (порядка 500 единиц на один комплект манипулятора). Первая партия таких манипуляторов изготавливалась отраслевым центром в кооперации с отраслевым предприятием. В настоящее время экономически оправданным является дооснащение собственного зуборезного участка, продукция которого будет востребована рынком. В заключение следует отметить, что отраслевой центр может в короткий срок освоить производство робототехнических устройств для мониторинга окружающей среды и ликвидации последствий радиационных аварий. При этом в полной мере может быть использован опыт разработки и производства копирующих манипуляторов. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДОВ МЕТАЛЛУРГИИ РАСПЫЛЕННЫХ И БЫСТРОЗАКАЛЕННЫХ ПОРОШКОВ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБОЛОЧЕК ТВЭЛОВ ИЗ ДИСПЕРСНО-УПРОЧНЕННЫХ ОКСИДАМИ (ДУО) ЖАРОПРОЧНЫХ ФЕРРИТНО-МАРТЕНСИТНЫХ СТАЛЕЙ ^ Агеев В.С., Никитина А.А., Сагарадзе В.В., Сафронов Б.В., Чуканов А.П., Цвелев В.В., Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов им. академика А.А.БочвараОдним из важнейших элементов достижения конкурентной способности действующих и разрабатываемых ректоров на быстрых нейтронах (БР) и создания элементов замкнутого топливного цикла является достижение выгорания ~ 18-20% т.а. без снижения или повышения параметров теплоносителя.Решение этих проблем неразрывно связано с разработкой радиационно-стойких конструкционных материалов, способных работать в активной зоне БР в высоких потоках быстрых (Е > 0,1 МэВ) нейтронов (12)1016 н/см2сек до повреждающих доз 160-180 сна при температурах 370-710 0С. Одними из основных факторов определяющих радиационную стойкость конструкционных материалов БР являются: радиационное распухание; радиационная ползучесть; высоко- и низкотемпературное радиационное охрупчивание, а также радиационная стабильность структуры и свойств материала в поле нейтронного облучения. Подобные проблемы существуют также при разработке и создании радиационно-стойких конструкционных материалов для первой стенки и бланкета международного термоядерного реактора – ИТЭР.Одним из путей решения этой проблемы является создания нового класса радиационно-стойких сталей, упрочненных нанодисперсными частицами оксидов и обладающих при этом высокими прочностными и механическими свойствами. Работы над такими сталями применительно к использованию их в БН и ИТЭР активно развиваются в Японии, США, Европе, Китае. На основании мирового и имеющегося во ВНИИНМ собственного опыта по порошковой технологии получения быстрозакаленных порошков путем диспергирования расплава методом центробежного распыления нами опробована используемая японскими специалистами технологическая схема получения ДУО ферритно-мартенситных сталей на основе стали ЭП-450: Получение порошка стали матричного состава (ЭП-450) со сферической или чешуйчатой формой частиц центробежным распылением расплава из вращающегося гарниссажного тигля в атмосфере инертного газа.Механическое легирование полученного порошка мелкодисперсными (40–80 нм) частицами Y2O3 в вибрационном высокоэнергетическом аттриторе.Виброзаполнение капсул полученной порошковой смесью до плотности 60–62%, дегазация при Т = 500 °С в течение 3 ч, герметизация капсул электронно-лучевой сваркой в вакууме.Горячая экструзия (Т ~ 1150 oC) капсул с порошком в горячепрессованный пруток с вытяжкой не менее 10 – 12 с последующей механической обработкой. В данной работе приведены первые результаты по исследованию механически легированных порошков стали ЭП-450 оксидами иттрия и получения трубной заготовки из ДУО стали ЭП-450. 1. Получение опытной партии механолегированных порошков. Для изготовления порошка использовали стандартную заготовку стали ЭП-450. Центробежным распылением расплава из вращающегося гарниссажного тигля в атмосфере гелия высокой чистоты получали порошки двух типов:со сферической формой частиц, получаемой при кристаллизации частиц в свободном полете в атмосфере камеры. Размер порошка 40-200 мкм;с чешуйчатой формой частиц, получаемой при кристаллизации порошка на медном водоохлаждаемом экране. Толщина чешуйки 1-5 мкм, длина 10-15 мм, ширина – 1,5-2 мм. В обоих случаях при распылении сталей изменений химического состава не происходит. Загрязнение поверхности порошка окислами и другими включениями не отмечается. Структура поверхности материала сферического порошка мелкозернистая однородная. На поверхности чешуйчатого порошка прослеживается разнозернистость и вытянутость зерен вдоль направления теплоотвода. Используемые в данной работе оксиды иттрия в исходном состоянии представляли собой агломераты размером в несколько микрон, в то время как рентгенографический анализ зафиксировал размер данных оксидов в интервале 40-80 нм. Отдельно взятый агломерат состоит из отдельных кристаллитов, размер которых находится в интервале 40-80 нм. Механическое легирование полученного порошка стали ЭП-450 оксидами Y2O3 в количестве 0,5 вес. % проводили в вибрационном высокоэнергетическом аттриторе в атмосфере аргона. Механическое легирование проводили в течение 0,5; 1,0; 2,5; 5,0; 7,0; 18,5; 24; 36; 43 и 49 часов со вскрытием, взятием проб смеси на анализ, заполнением аргоном, герметизацией аттритора и обработкой оставшегося порошка. При времени помола до 5-7 ч частицы становились плоскими, но в основном сохраняли округлую форму. При дроблении от 18,5 до 49 ч частицы становились, преимущественно, тонкими чешуйками неправильной формы (размер отдельных и «слипшихся» чешуек колебался от 1 до 100 мкм). Рентгенографические и мессбауровские исследования механически легированных порошков стали ЭП-450 ДУО показали, что увеличение времени помола смеси порошков стали и оксидов иттрия в аттриторе до 18,5 ч приводит к максимальному увеличению ширины рентгеновских линий и к наибольшему изменению мессбауэровских спектров, объясненному гомогенизацией стали. Дальнейшее повышение времени размола до 49 ч мало изменяет рентгенографические и мессбауровские характеристики порошков. Промежуточные вскрытия аттритора в процессе обработки привели к окислению и охрупчиванию порошка. Поэтому, механическое легирование порошка, предназначенного для получения компактной заготовки, проводили в течение 30 ч в атмосфере аргона без вскрытия аттритора. В порошковую смесь состава: матричный порошок стали ЭП450 чешуйчатой формы + нанопорошок Y2O3 в количестве 0,25% масс., дополнительно добавляли 0,4% масс. Ti, т.к., согласно литературным данным, присутствие титана способствует получению более дисперсных частиц оксидов при последующей термомеханической обработке порошков в процессе получения компактного материала. 2. Компактирование и получение особотонкостенных труб. Компактный материал из механически легированного (в течение 30 ч.) порошка стали ЭП-450 ДУО получали горячей экструзией капсул со свободно засыпанным порошком на гидравлическом прессе усилием 600 тонн при ~11500C с коэффициентом вытяжки ~15. Полученный пруток охлаждали до комнатной температуры. Компактирование порошка стали ЭП450 ДУО осуществляли в капсуле из аустенитной трубке, в которой была проведена предварительная дегазация порошка.Структура образца, вырезанного из полученного прутка, полученная в характеристическом рентгеновском излучении YLa, свидетельствует о равномерном распределении оксидов по всему объему компактированного образца. Исследование микроструктуры прутка из стали ЭП450 ДУО показало следующее. Для макроструктуры характерна вытянутость зерен вдоль направления экструзии и наличие областей с мелкими (~0,5-2 мкм) зернами. Оксиды иттрия расположены как по границам зерен, так и в теле зерен. Размер оксидов по границам зерен составляет ~ 5-200 нм, внутри зерен - ~ 5-10 нм. Это различие, по-видимому, связано с неполным растворением оксидов иттрия в процессе механического легирования и частичным их оседанием на поверхностях исходных порошинок стали ЭП450. Обращает на себя внимание также тот факт, что области с мелким зерном совпадают с областями повышенной концентрации оксидов иттрия. Твердость прутка после горячей экструзии составляет 394±32 HV. Полученные данные свидетельствуют о том, что в стали ЭП450 ДУО отсутствует фазовое превращение (γ-α), и что ферритно-мартенситная сталь ЭП450 после ее механического легирования оксидами иттрия стала однофазной. Это же подтверждают данные электронно-микроскопических исследований.Пруток из стали ЭП450 ДУО диаметром 22 мм, полученный в результате горячей экструзии порошка стали ЭП 450 ДУО, механолегированного в течение 30 часов был прокатан в горячую в пластину толщиной 1,5 мм. Горячую прокатку проводили при 1100 0С до толщины 1,5 мм за три прохода с промежуточной термообработкой 1150 0С, 30 мин. после каждого прохода (твердость пластины после термической обработки составляет 367±23 HV).^ Распределение оксидных частиц по размерам в прутке ЭП450 ДУОВ результате горячей деформации произошло, с одной стороны, образование полигонизованной структуры с размером зерен ~ 3-5 мкм, с другой стороны - измельчение оксидов иттрия. После горячей прокатки до толщины 1,5 мм была проведена термическая обработка пластины – закалка в воду с температуры 1100 оС, 1 ч и последующий отпуск 740 оС, 1 ч (охлаждение с печью) с целью изучения возможности получения структуры отпущенного мартенсита, для которой характерна высокая ударная вязкость.Из результатов измерения твердости (323±16 HV) и исследования структуры следует, что после закалки и отпуска в материале сохраняется ферритная структура. Концентрация оксидов внутри зерен составляет ~1015 см-3 . На плоских образцах размером 50х10х2 мм из сталей ЭП450 (вырезанного из шестигранной трубы) и ЭП450 ДУО (вырезанного из горячекатаной пластины) были проведены испытания на термическую ползучесть. Испытания проводились при температурах 650 и 700 ºС при напряжениях 140 и 120 МПа, соответственно.^ Распределение оксидных частиц по размерам в горячекатаном образце ЭП450 ДУОИз результатов испытаний на термическую ползучесть плоских образцов из сталей ЭП450 и ЭП450 ДУО следует, что, несмотря на некоторую неравномерность в распределении оксидных частиц и наличие небольшой доли достаточно крупных частиц, скорость термической ползучести в образце стали ЭП450 ДУО на два порядка меньше скорости термической ползучести в образце стали ЭП450. ^ Результаты испытаний на термическую ползучесть плоских образцов 50х10х2 мм из сталей ЭП450 и ЭП450 ДУО при температурах 650 и 700 °С Материал Температура испытания, оС Напряжение, МПа Скорость ползучести, %/ч Время до разрушения, ч ЭП450 650 140 1,18*10-2 392 ЭП450 ДУО 650 140 2,38*10-4 >2000 ЭП450 700 120 9,1 2,3 ЭП450 ДУО 700 120 1,82*10-3 187 Для выбора маршрута изготовления особотонкостенных труб из стали ЭП450 ДУО была проведена оценка деформационной способности полученного материала. Для этого горячекатаные полосы из стали ЭП450 ДУО прокатывали в холодную на толщину 0,4 мм с разной степенью деформации. Для получения разных степеней деформации на готовом размере холодную прокатку полос проводили с различной исходной толщины. На пластинах толщиной 0,4 мм с различной степенью деформации были проведены испытания на кратковременные механические свойства. Для этого из пластин с помощью штампа были вырублены стандартные образцы для испытаний (ширина образца – 3 мм, длина рабочей части – 12 мм). Наноструктурированная сталь ЭП450 ДУО сохраняет достаточно высокое остаточное удлинение после обработки со степенями деформации до 60%, что позволило сделать однозначный вывод о приемлемости существующего маршрута изготовления особотонкостенных труб из стандартной стали ЭП450 для варианта изготовления труб из стали ЭП450 ДУО. По выбранному маршруту были изготовлены особотонкостенные трубы размером 6,9х0,4 мм длиной 1000 мм. Микроструктура труб после термической обработки (1150 ºС, 1ч) характеризуется наличием равноосных ферритных зерен размером 0,2-1 мкм с равномерным распределением оксидных частиц размером 2-10 нм. На основании имеющегося за рубежом и во ВНИИНМ опыта по порошковой технологии выбрана и опробована технологическая схема получения трубной заготовки из стали ЭП450 ДУО. Выбраны оптимальные режимы твердофазного легирования матричного материала нанодисперсными оксидами иттрия в высокоэнергетическом аттриторе. Экспериментально опробована технология, и получена опытная партия порошков. Проведены комплексные исследования их свойств. Высказано предположение, что для нормального механического легирования порошков достаточно время помола ~ 18,5 ч. Разработана и опробована методика компактирования порошков жаропрочной стали ЭП-450 ДУО. Изготовлен опытный образец и исследованы его структура и физико-механические свойства.^ Значения исходных толщин полос для получения различных степеней деформации на готовом размере пластины (толщиной 0,4 мм) ε, % 20 30 40 50 60 70 δисх, мм 0,5 0,57 0,67 0,8 1,0 1,35 Lисх, мм 150 130 110 90 75 60 ^ Механические свойства полос из стали ЭП450 ДУО с различной исходной степенью деформации ε, % δ, % σ0,2 , МПа σв, МПа 20 6,6 868 885 30 6,2 893 922 40 7,1 839 909 50 3,8 881 945 60 5,0 912 960 70 4,6 1086 1169 Электронно-микроскопические исследования компактированного методом горячей экструзии при 1150 0С образца стали ЭП-450 ДУО (время предварительного механического легирования 30ч) показали, что сталь имеет ферритную структуру с вытянутыми областями, вдоль направления экструзии, состоящими из крупных (~30-50 мкм) и мелких (~0,5-2 мкм) зерен. Оксиды иттрия расположены как по границам зерен, так и в теле зерен. Размер оксидов по границам зерен составляет ~ 5-200 нм, внутри зерен - ~ 5-10 нм. Оценка деформационной способности стали ЭП450 ДУО показала, что наноструктурированная сталь ЭП450 ДУО сохраняет достаточно высокое остаточное удлинение после холодной деформации на 60%. Это позволило сделать однозначный вывод о возможности изготовления особотонкостенных труб из стали ЭП450 ДУО по маршрутам, применяемым для стандартной стали ЭП450. Изготовлена экспериментальная партия особотонкостенных труб размером ф6,9х0,4х1000 мм. Электронно-микроскопические исследования показали, что микроструктура труб после термической обработки характеризуется наличием равноосных ферритных зерен размером 0,2-1 мкм с равномерным распределением оксидных частиц размером 2-10 нм. ^ РАДИАЦИОННО-СТОЙКИЕ СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ ВАНАДИЯ Вотинов С.Н., Колотушкин В.П., Парфенов А.А., Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов им. академика А.А.БочвараБез реакторов на быстрых нейтронах (БН) замыкание топливного цикла невозможно. А это требует использования топлива с повышенной энерговыработкой и конструкционных материалов (КМ) с повышенным эксплуатационным ресурсом, что означает повышение служебных характеристик твэлов. Ключевой становится проблема создания конструкционных материалов оболочек твэлов, обладающих соответствующими механическими, технологическими свойствами, совместимостью с теплоносителем и топливным материалом, а также стабильностью свойств при нейтронном облучении. На заре развития БН совокупность свойств определила преимущество нержавеющих сталей в качестве материалов оболочек твэлов. В настоящее время в связи с ужесточением требований по надежности, безопасности и экологическим характеристикам реакторов нового поколения (БН-800, БН-1600), существенным повышением рабочих параметров, материалы, разработанные на сегодняшний день, не могут в полной мере обеспечить дальнейшее развитие атомной энергетики. Поведение конструкционных материалов при длительных испытаниях под нагрузкой, работоспособность оболочек твэлов и чехловых шестигранных труб из реакторных сталей, используемых в настоящее время, вызывает серьезные опасения в случае применения их при рабочих параметрах активных зон будущих промышленных реакторов на быстрых нейтронах, в первую очередь, в связи со значительной радиационной повреждаемостью аустенитных, ферритомартенситных сталей и никелевых сплавов. Если обобщить многолетний опыт отечественного и зарубежного реакторостроения по КМ для оболочек твэлов, то станет очевидным, что успех создания материалов обеспечивается при учете трех главных факторов:Комплекс физико-механических и технологических свойств материала (включая свариваемость).Радиационная стойкость.Совместимость КМ с теплоносителем и топливным материалом. Наиболее важным критерием в оценке КМ для рассматриваемых условий является жаропрочность. Надо сказать, что именно эти испытания дают нам право определять природу материала и говорить о соответствии его выдвигаемым требованиям при проектировании той или иной установки, работа которой происходит при высокой температуре с приложением механических напряжений.Стали аустенитного класса были наиболее предпочтительными материалами в качестве материалов оболочек твэлов благодаря удовлетворительному сочетанию прочности, жаропрочности, коррозионной стойкости, хорошей технологичности и освоенности промышленностью. В качестве материала чехлов ТВС были использованы разработанные стали феррито-мартенситного класса. Температурным пределом для ферритомартенситных сталей является 600 С, для аустенитных – 650-700 С. Как показал ряд систематических исследований [2-7], в качестве конструкционных материалов для ядерных и термоядерных энергетических реакторов наиболее перспективными являются сплавы на основе ванадия. Основными преимуществами сплавов ванадия по сравнению со сталями аустенитного и феррито-мартенситного классов являются низкий уровень наведенной активности, быстрый ее спад и высокое значение параметра термостойкости. Ванадий образует с большинством переходных металлов непрерывные ряды твердых растворов (Ti, Nb, Cr, Mo, W) или широкие области растворимости (Mn, Fe, Al, Re). Полученные данные показали, что легирование ванадия значительно повышает его прочностные свойства [3, 6, 7]. С увеличением содержания легирующих элементов в ванадии практически линейно возрастает твердость сплавов в пределах концентраций 20-30% ат. При 20% ат. таких добавок, как титан, хром и алюминий, твердость повышается на 100 - 200 кг/мм2, а добавки молибдена, ниобия и железа в этих пределах приводят к росту твердости в два-три раза (до 290 - 390 кг/мм2). Ниобий, тантал, молибден, вольфрам значительно повышают прочность ванадия. Сплавы, легированные титаном и хромом, имеют значения прочности 40 - 50 кг/мм2 и при концентрациях свыше 5% ат. она изменяется незначительно. Результаты исследования длительной прочности сплавов ванадия показали, что добавки титана (3–5%) вызывают ее рост. Дополнительное легирование хромом сплавов ванадия с титаном повышает характеристики длительной прочности.В зависимости от содержания легирующих элементов изменяется и температура рекристаллизации сплавов ванадия. Сплавы, легированные молибденом, имеют температуру рекристаллизации ~ (1100-1200) °С при 10-15% добавки, температура рекристаллизации сплавов с ниобием и хромом ~ (900-950) °С. Высокая температура рекристаллизации сплавов, легированных титаном до 5%, вероятно, обусловлена влиянием оксидов титана.Металлические примеси, которые содержатся в исходном ванадии, практически не влияют на значение твердости, прочностные свойства и размер зерна сплавов ванадий-титан. Это установлено при исследовании сплавов на основе ванадия с различным содержанием металлических примесей марок ВнМ-1 и ВЭЛ. Сдерживающими факторами использования ванадиевых сплавов сейчас считаются стоимость, взаимодействие с кислородом (воздухом), недостаточный объем радиационно-материаловедческих исследований по сравнению с аустенитными сталями. Так, температура хрупко-вязкого перехода, равная 0 С, соответствует содержанию примесей в количестве, %: Н = 0,015, О = 0,15, N = 0,22. Эти примеси сильно влияют на температуру хрупко-вязкого перехода. Углерод вследствие малой растворимости почти не оказывает влияния. В связи с этим к ванадиевым сплавам с точки зрения технологичности предъявляются повышенные требования, а именно высокая чистота исходных материалов (по примесям внедрения и активируемым); использование технологических сред, обеспечивающих защиту от газонасыщения при высокотемпературных обработках с целью получения изделий с хорошими эксплуатационными характеристиками. Экспериментальные результаты показали, что сплавы ванадия с добавками титана (0-20%) имеют минимальное значение температуры перехода в хрупкое состояние. Тхр ^ Содержание примесей в ванадии, мас.% Марка ванадия Элементы Al Si Fe Ni S C N O H ВнМ-1 0.2 0.07 — — 0.017 0.015 0.001 ВЭЛ 0.01 0.02 0.05 — Растворимость примесей внедрения в металлах, % Металл Примеси внедрения Углерод Азот Кислород 400 С 1000 С 1600 С 400 С 1600 С 400 С 1500 С VNb -- 2,5‧10-33‧10-3 3,70,39 1,85‧10-2 11,01,0 2,30,13 8,05,2 FeCr 5‧10-2- 6,46‧10-2 -2,0 0,13‧10-5 -10-2 10-610-6 -0,07 Сравниваются температурные зависимости предела прочности и общего удлинения образцов сплавов V-4Ti-4Сг и V-10Ti-5Сг в исходном состоянии и с поперечным сварным швом. Для V-4Ti-4Сг приведены данные о механических свойствах образцов со сварным соединением, полученным двумя методами сварки: аргонодуговой (АДС) и электроннолучевой (ЭЛС). Наличие сварного шва на обоих образцах не меняет характера кривых. Предел прочности образцов V-4Ti-4Сг со сварным швом мало зависит от вида сварки и сравним с пределом прочности для исходных образцов. АДС не изменяет также прочности образцов V-10Ti-5Сr по сравнению с исходным состоянием. Однако наличие сварных соединений, выполненных методами ЭЛС и в особенности АДС, вызывает значительное снижение пластичности образцов V-4Ti-4Сr по сравнению с исходными. Снижение величин общего удлинения (общ) АДС - образцов этого сплава составляет 11,0-14,5% и 7,5-8,0% при температуре испытания 20-200 °С и 250-650 °С соответственно. При всех температурах испытания наблюдается преимущество метода ЭЛС. При одинаковых условиях эксперимента снижение (общ в результате сварки для образцов V-10Ti-5Сг при температуре испытания 20—200 °С и 250—650 °С составляет 11,0—12,0% и 6,0—7,5% соответственно. При 700 °С этот эффект наименьший — не превышает 3 % независимо от типа ванадиевых сплавов и метода сварки [8]. Сплавы на основе ванадия V-Ti-Cr имеет высокие показатели по времени до разрушения в температурном интервале 550-700 С. Анализ и обобщение имеющейся базы данных [10] по свойствам сплавов V-4Ti-4Cr и V-10Ti-5Cr позволяет заключить, что максимальная рабочая температура для первого сплава может достигать 750 С, а для второго - 750-800 С. Это позволяет рассматривать последний как конструкционный материал в реакторных установках с высокой температурой эксплуатации. При выборе конкретного состава сплава наиболее важным критерием является его радиационная стойкость. Активационные и физические свойства сплавов V-Ti-Cr. Как известно, ванадий лучше других конструкционных материалов отвечает критерию малой активируемости. Активация ванадиевых сплавов меньше, чем у сплавов на основе железа. Поэтому в результате меньших уровней радиоактивности, остаточного тепловыделения и потенциальной опасности для здоровья эти сплавы имеют наибольшую вероятность повторного использования, наименьшую уязвимость в случае потери теплоносителя при минимальной опасности для окружающей среды. Легирование ванадия титаном и хромом не выводит сплавы из разряда малоактивируемых, но наибольшую проблему вызывает титан, а именно 46Ti и 47Ti. Остальные изотопы титана не дают долгоживущих радионуклидов. Активационные характеристики ванадиевых сплавов ухудшаются при наличии примесей Ni, Nb, Mo, Co, Ag, Bi, Cu, Sm и др. Расчет активационных характеристик сплавов ванадия, облученных в позиции первой стенки реактора ДЕМО до флюенса 35 МВт-лет/м2 (12 лет непрерывного облучения при средней нейтронной нагрузке на первую стенку 2,91 МВт/м2) [1] показывает, что для приемлемых в техническом отношении сроков выдержки 10-40 лет основной вклад (>90%) в мощность дозы сплава V-5Ti-5Сг без примесей вносит изотоп 42К, а сплава V-5Ti-5Сг с активируемыми примесями - 94Nb.^ Активационные характеристики сплава V-5Ti-5Cr (12 лет облучения при средней нейтронной нагрузке на первую стенку 2,91 МВт/м2)* Характеристика Время выдержки, годы 1 5 10 20 40 100 Остаточное энерговыделение, Вт/ кг 1  10-1(1  10-1) 510-4(610-3) 310-5 (310-3) 110-5 (710-4) 710-6(710-5) 210-6(710-6) Контактная мощность дозы -излучения, мкЗв/ч 1,1108 (1,2108) 3104(8106) 4103 (5106) 3,3103(1,2106) 2,1103(1105) 5102(4103) Радионуклиды, дающие основной вклад в мощность дозы сплава 46Sc, 5lCr, 54Mn (46Sc, 60Со, 54Мn) 42К, 54Мn (182Та, 60Со, 54Мn) 42К (60Со) 42К (60Со, 154Еu) 42К (154Еu,94Nb) 42К (94Nb) *Первое значение — для сплава без активированных примесей, второе (в скобках) — для сплава с активируемыми примесями.Сплавы ванадия с 5-10% ат. Ti и 5-6% ат. Cr при 600 °С имеют Е = (12,2-12,4)1010 МПа и G = (4,5-4,6)1010 МПа. Модули упругости сплавов данных составов в 1,5 раза ниже, чем у нержавеющих аустенитных сталей. При температуре 600 С теплопроводность этих сплавов составляет 29-31 Вт/(м  К), что на 30% выше, чем у аустенитной стали. Плотность сплавов определяется содержанием легирующих элементов (dV = 6,11 г/см3; dCr = 7,19 г/см3; dTi — 4,51 г/см3), причем влияние титана на уменьшение плотности ванадия в ~ 1,5 раза превышает влияние хрома, действующего в сторону увеличения плотности сплава. Удельное электросопротивление  сплавов возрастает с увеличением содержания легирующих элементов. Коэффициент термического расширения а тройных сплавов ванадия существенно зависит от температуры, и у сплавов с большим содержанием титана он ниже.При нейтронном облучении сплавов ванадия в температурном интервале 400-600 °С наблюдается значительное радиационное упрочнение, достигающее при дозах 40-50 сна максимума и уменьшающееся при более высоких дозах. Общее удлинение сплавов V-Ti-Cr после облучения до доз 100 сна прев