Reaktortechnika A reaktortechnikában használatos anyagok II. Reaktivitáskompenzáló, illetve reaktivitásszabályozó anyagok
A reaktivitásszabályozás anyagai Nagy neutronbefogási hatáskeresztmetszet Természetes anyagok Szóba jöhető elemek: Gd, Eu, B, Cd, Hf, Ag Leginkább használatos: gadolínium, bór, kadmium Ritkábban: európium, hafnium, ezüst, illetve ezek különféle ötvözetei
Bór Fekete színű félfémes anyag
Bór
A bór gyakorisága a természetben Előfordulási hely ppb tömeg ppb atomszám Univerzum 1 0,1 Nap 2 0,2 Meteorit 1600 3000 Földkéreg (kőzet) 8700 17000 Tengervíz 4440 2500 Friss víz (folyó) 10 1 Emberi test 700 410
A bórvegyületek A természetes bór két izotóp keveréke: 10 B: 19,8% 11 B: 80,2% 10 B(n,α) 7 Li reakció hatáskeresztmetszete E n =0,025 ev-nál 3838 barn Elegendő mennyiségben áll rendelkezésre, nem drága Felhasználása (reaktortechnikában): boridként (pl. ZrB 2, cirkónium-borid) hordozó anyagba ötvözve (pl. bóracél) bórkarbidként (B 4 C) por vagy szilárd tabletta formájában valamilyen mátrixba (pl. Al 2 O 3 -ba) belekeverve
Bórkarbid (B 4 C) Gyakran használt abszorbensanyag Magas olvadáspont Sűrűség: 2,4 g/cm 3 (elméleti: 2,51 g/cm 3 ) Rideg, hőálló anyag Al 2 O 3 -ba keverve kiégő méregként is szóba jöhet A sűrűség növelése érdekében az Al 2 O 3 és B 4 C porok összekeverését szinterelés követi
Sűrűség a B 4 C tartalom és a szinterelési hőmérséklet függvényében Bórkarbid (B 4 C)
Bórkarbid (B 4 C) Tartósfolyásra nem hajlamos Jó korrózióálló Magas hőtágulási és hővezetési együttható Kompatibilis a zircaloy ötvözettel Kristályrácsa neutronsugárzás hatására torzul, de a rácshibák 700 900 C-on nagyrészt megszűnnek Fő sugárkárosodása a gázos duzzadás (a 10 B(n,α) 7 Li reakció következményeként, ahol egy atomból két atom keletkezik) 10 20 10 B-fogyás/cm 3 -nél: 0,15% ΔV/V 10 22 10 B-fogyás/cm 3 -nél repedések jelentkeznek a szemcsehatároknál
Cirkónium-borid (ZrB 2 ) Az üzemanyag-tabletta felületének borításaként kiégő méregként használható Miután a 10 B(n,α) 7 Li reakcióban He keletkezik, alacsonyabb kezdeti He nyomást kell alkalmazni
Bóracél Az acél a bórral történő ötvözés hatására ridegedik. Emiatt a bóracél legfeljebb 3% bórt tartalmazhat Megoldás: a természetes bór feldúsítása a 10 B izótópban A 10 B(n,α) 7 Li reakcióban keletkező hélium az acélban felhalmozódva gázos duzzadást, bizonyos fluens után repedéseket okoz 90%-os bórkiégésig a rozsdamentes acél jó korrózió- és sugárálló, így védőburkolat nélkül is használható
Ritkaföldfémek Neutronabszorbensként az európium (Eu) és gadolínium (Gd) használatos
Európium Két természetes izotóp: 151 Eu: 47,9%, 153 Eu: 52,1% Nagy befogási hatáskeresztmetszet, a keletkező izotópok esetén is (nem jó kiégő méregnek) Rendkívül drága, emiatt nem terjedt el
Gadolínium Hét természetes izotóp keveréke
Gadolínium A Gd 2 O 3 az UO 2 -vel keverve kiégő méregként alkalmazható A Gd rozsdamentes acélok és titánötvözetek ötvözőeleme is lehet (legfeljebb 25%-ban). Az ilyen ötvözetek 360 C-ig jó korrózióállóak. A Gd-tartalom növelésével nő a rozsdamentes acél keménysége és ridegsége
A gadolínium mint kiégő méreg Gd 2 O 3 : 1390 C alatt köbös, fölötte monoklin rácsszerkezet Olvadáspont: 2330 C Hőtágulás: hasonló az UO 2 -hoz Csökkenő hővezetési együttható a gadolíniumtartalom növekedésével Csökkenő olvadáspont a gadolíniumtartalom növekedésével Kissé nagyobb fajhő
Hafnium Hat természetes izotóp keveréke Rendszerint a cirkóniummal közösen fordul elő az ércekben
Hafnium
Hafnium Hat természetes izotóp keveréke: 174 Hf: 0,16% 176 Hf: 5,2% 177 Hf: 18,6% 178 Hf: 27,1% 179 Hf: 13,7% 180 Hf: 35,2% A természetes hafnium befogási hatáskeresztmetszete E n =0,025 ev-nál 102,6 ± 1,4 barn, rezonanciaintegrálja: 1992 ± 50 barn
Hafnium Legnagyobb hatáskeresztmetszet: 177 Hf (310 ± 10 barn, rezonanciaintegrál: 7100 ± 200 barn) Következő legnagyobb: 178 Hf (84 ± 4 barn, rezonanciaintegrál: 1950 ± 120 barn) A hafnium az epitermikus és az intermedier neutronok befogása útján is jelentősen befolyásolja a reaktivitást kiválóan alkalmas a nagyon alulmoderált - kemény neutronspektrumú reaktorok szabályozására A fém hafnium és a hafniumötvözetek korrózióállósága jobb a cirkóniuménál Védőburkolat nélkül lehet neutronabszorbens rúdként alkalmazni Képlékenysége és szilárdsága nagyobb, mint a cirkóniumé
Ezüst, indium, kadmium Szabályozó rúdként gyakran használt ötvözet: 80% ezüst (Ag) 15% indium (In) 5% kadmium (Cd) Elterjedt a Cd használata önmagában is
Ezüst A földkéregben 40-szer ritkább az uránnál
Indium
Indium
Kadmium Használatát korlátozza az alacsony olvadáspont (321 C) Szobahőmérsékleten képlékeny, jól alakítható anyag Neutronbefogási hatáskeresztmetszet: Neutronspektrum mérésében szűrőanyagként használható
Ezüst-indium-kadmium Az Ag-In-Cd ötvözet olvadáspontja lényegesen nagyobb a kadmiuménál A neutronelnyelés hatására az ezüst kadmiummá, a kadmium kis része indiummá, az indium ónná alakul az ötvözet összetétele a besugárzás előrehaladtával egyre inkább megváltozik Mivel az Ag, In, Cd izotópok neutronbefogása csak (n,γ) reakcióval jár, az ötvözet sugárkárosodása kisebb, mint a bórötvözeteké. Még 1,4 10 21 n/cm 2 fluensű besugárzás sem okoz jelentős szövetszerkezeti vagy méretváltozást Az Ag-In-Cd ötvözet 265 C-os vízben sem
Reaktortechnika A reaktortechnikában használatos anyagok III. Szerkezeti anyagok
A reaktortechnika szerkezeti anyagai Az alumínium és ötvözetei A cirkónium és ötvözetei Az ausztenites rozsdamentes krómnikkel acélok A perlites acélok Krómtartalmú rozsdamentes acélok Nikkelalapú ötvözetek A sugárvédelem anyagai
Alumínium
Alumínium
Alumínium Kiterjedten használják kutatórektorok és korábban épített egyes energetikai reaktorok szerkezeti anyagaként Kis befogási hatáskeresztmetszet Felhasználása mérsékelt mechanikai követelmények és alacsony fellépő hőmérsékletek esetén előnyös Lapközepes köbös kristályszerkezet Befogási hatáskeresztmetszete E n =0,025 ev-nál 0,215 barn, csak 30%-kal nagyobb, mint a cirkóniumé Lineáris hőtágulási együtthatója (a 20 600 C tartományban): 28,7 10-6 /K (nagyobb, mint az UO 2 üzemanyagé, és ~4-szerese a cirkóniuménak) Hővezetési tényezője (a 100 200 C tartományban: 0,58 0,62 10-3 W/m/K (több mint egy nagyságrenndel nagyobb a cirkóniuménál)
Alumínium A reaktorépítésben alkalmazott alumíniumötvözetek csoportosítása: 99,5% tisztaságú alumínium (AD típus). Fő szennyezők: vas és szilícium nikkellel és vassal ötvözött alumínium nagyszilárdságú alumíniumötvözet: ebből készítik a technológiai csatornákat A tiszta (legalább 99,99%-os) alumínium nagyon képlékeny, szilárdsága kicsi A technikai minőségű alumínium keménysége és szilárdsága nagyobb A hőmérséklet növekedésével szilárdsága csökken, képlékenysége nő A fűtőelem-burkolathoz használt alumíniumötvözetnek nagy képlékenységgel, a csatornák és a szerkezeti elemek anyagainak nagy szilárdsággal kell rendelkezniük
Alumínium 200 C fölött reakcióba lép az uránnal, UAl 4 és UAl 3 intermetallidok keletkeznek, amelyek igen kicsi szilárdságúak Az urándioxiddal 260 C alatt, az uránkarbiddal 540 C alatt kompatibilis Az Al kémiailag aktív, alacsony hőmérsékleten azonban kiváló korrózióállósággal rendelkezik, Ez a felületén kialakuló, erősen tapadó tömör oxidrétegnek (Al 2 O 3 ) köszönhető Az atmoszférikus körülmények között keletkező oxidréteg vastagsága: 0,002-0,003 μm A hőmérséklet növekedésével az oxidréteg vastagsága nő, 500-600 C-on elérheti a 0,2-0,3 μm-t is
Alumínium Három fajta felületi oxidréteg alakulhat ki (a kezelés hőmérsékletétől és időtartamától függően): bőmit (hidratált alumíniumoxid, Al 2 O 3 H 2 O, ortorombuszos kristály) bayerit (Al 2 O 3 3H 2 O, monoklin kristály gibbsit A vízzel érintkező nagytisztaságú alumínium felületén bayerit keletkezik, 100 C fölött azonban a bayerit egyre inkább bőmitté alakul Az alumínium korróziós sebessége a hőmérséklet függvénye 100 C alatt vízben jó korrózióálló, afölött megnő a korrózió Amfoter fém: a korróziós sebesség semleges közegben a legkisebb A hőmérséklet növekedésével a minimális korrózió ph értéke lefelé tolódik
Alumínium Nedves környezetben elsősorban a lyukkorrózió (pitting) veszélyezteti A lyuk mélysége lényegesen gyorsabban növekszik, mint a kiterjedése Hibahelyek, repedések környezetében alakulnak ki Réskorrózió is kialakulhat (a hézagokban, résekben felhalmozódó egyéb korróziós termékek miatt) Védekezés: eloxálás, 10-20 μm-es védőréteg ( fekete anódozás : fekete színű, 50-100 μm vastag védőréteg)
Alumínium Az alumínium és ötvözetei nagyon sugárállóak A besugárzás hatására a szakítószilárdság és a folyáshatár nő A neutronsugárzás bizonyos fluens alatt inkább javítja, mint rontja az alumínium és ötvözeteinek mechanikai jellemzőit Ugyanakkor a sugárzás rontja az alumínium korrózióállóságát (a sugárzás hatására megsérül a passziváló vékony oxidréteg) Alacsony vízhőmérsékleten (kutatóreaktorokban) a korrózióállóság még így is jó, ehhez azonban megfelelő vízminőséget kell fenntartani
Cirkónium
Cirkónium