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 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
Előfordulási hely
A bórvegyületek • A természetes bór két izotóp keveréke: – 10B: 19,8% – 11B: 80,2% • 10B(n,α)7Li reakció hatáskeresztmetszete En=0,025 eV-nál 3838 barn • Elegendő mennyiségben áll rendelkezésre, nem drága • Felhasználása (reaktortechnikában): – boridként (pl. ZrB2, cirkónium-borid) – hordozó anyagba ötvözve (pl. bóracél) – bórkarbidként (B4C) – por vagy szilárd tabletta formájában – valamilyen mátrixba (pl. Al2O3-ba) belekeverve
Bórkarbid (B4C) • • • • • •
Gyakran használt abszorbensanyag Magas olvadáspont Sűrűség: 2,4 g/cm3 (elméleti: 2,51 g/cm3) Rideg, hőálló anyag Al2O3-ba keverve kiégő méregként is szóba jöhet A sűrűség növelése érdekében az Al2O3 és B4C porok összekeverését szinterelés követi
Bórkarbid (B4C) • Sűrűség a B4C tartalom és a szinterelési hőmérséklet függvényében
Bórkarbid (B4C) • • • • •
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 10B(n,α)7Li reakció következményeként, ahol egy atomból két atom keletkezik) • 1020 10B-fogyás/cm3-nél: 0,15% ΔV/V • 1022 10B-fogyás/cm3-nél repedések jelentkeznek a szemcsehatároknál
Cirkónium-borid (ZrB2) • Az üzemanyag-tabletta felületének borításaként kiégő méregként használható • Miután a 10B(n,α)7Li 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 10B izótópban • A 10B(n,α)7Li 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: 151Eu: 47,9%, 153Eu: 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 Gd2O3 az UO2-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 • Gd2O3 : – 1390 °C alatt köbös, fölötte monoklin rácsszerkezet – Olvadáspont: 2330 °C – Hőtágulás: hasonló az UO2 -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: – 174Hf: 0,16% – 176Hf: 5,2% – 177Hf: 18,6% – 178Hf: 27,1% – 179Hf: 13,7% – 180Hf: 35,2% • A természetes hafnium befogási hatáskeresztmetszete En=0,025 eV-nál 102,6 ± 1,4 barn, rezonanciaintegrálja: 1992 ± 50 barn
Hafnium • Legnagyobb hatáskeresztmetszet: 177Hf (310 ± 10 barn, rezonanciaintegrál: 7100 ± 200 barn) • Következő legnagyobb: 178Hf (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 1,4·1021 n/cm2 fluensű besugárzás sem okoz jelentős szövetszerkezeti vagy méretváltozást • Az Ag-In-Cd ötvözet 265 °C-os vízben sem ká dik
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 En=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 UO2 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, UAl4 és UAl3 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 (Al2O3) 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, Al2O3 · H2O, ortorombuszos kristály) – bayerit (Al2O3 · 3H2O, 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
