Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Москва, Россия:

А. Б. Круглов, доцент, канд. техн. наук
М. Д. Савельев, инженер, эл. почта: SavelyevMD@gmail.com
Б. А. Тарасов, старший научный сотрудник, канд. техн. наук

Реакторы с водой под давлением (PWR, ВВЭР, EPR, CAP) на данный момент составляют основу мировой ядерной энергетики. Топливом в этом типе энергетических установок являются таблетки диоксида урана, заключенные в герметичную циркониевую оболочку. Аварийные ситуации с потерей теплоносителя (Loss of Coolant Accident — LOCA) могут вызвать частичное или полное разрушение циркониевых оболочек и накопление водорода в корпусе реактора и реакторном здании, что связано с экзотермическим процессом окисления циркония в атмосфере насыщенного водяного пара при температурах выше 900 °C. Продуктами данной реакции являются водород и хрупкий оксид циркония, разрушающийся под действием своей массы и массы топливного столба. Поиск топлива для ядерных энергетических реакторов с водой под давлением, устойчивого к аварии с потерей теплоносителя, является актуальной задачей исследований во всем мире. Одним из решений представляется использование в качестве оболочечного материала тепловыделяющих элементов сплавов системы Fe – Cr – Al, обладающих высокой коррозионной стойкостью в воде. Работа посвящена определению коэффициента линейного термического расширения (КЛТР), удельной теплоемкости, теплопроводности и влиянию на них состава сплавов Fe – Cr – Al – Si в диапазоне температур 200–1000 °C. Получены новые данные по зависимости теплофизических характеристик сплавов системы Fe – Cr – Al – Si от температуры и концентрации хрома. Показано, что КЛТР, удельная теплоемкость и теплопроводность слабо зависят от содержания хрома в изученном диапазоне концентраций, основной вклад легирующие элементы вносят в положение точки Кюри.

1. Wu X., Kozlowski T., Hales J. D. Neutronics and fuel performance evaluation of accident tolerant FeCrAl cladding under normal operation conditions // Annals of Nuclear Energy. 2015. Vol. 85. P. 763–775.
2. Gamble K. A. et al. An investigation of FeCrAl cladding behavior under normal operating and loss of coolant conditions // Journal of Nuclear Materials. 2017. Vol. 491. P. 55–66.
3. Nikitin S. N. et al. Influence of a doping by Al stainless steel on kinetics and character of interaction with the metallic nuclear fuel // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. IOP Publishing. 2016. Vol. 130, Iss. 1. P. 012024.
4. Никитин С. Н. и др. Повышение совместимости металлического ядерного топлива с конструкционными материалами различных типов // Цветные металлы. 2015. № 3. С. 36–39.
5. Tarasov B. A., Savelyev M. D., Shornikov D. P. Corrosion resistance of Fe – Cr – Al – Si alloys with low chromium content // KnE Materials Science. 2018. Vol. 4, Iss. 1. P. 480–490.
6. Tarasov B. A. et al. Short-term mechanical properties of Fe – Cr – Al – Si alloys // KnE Materials Science. 2018. Vol. 4, Iss. 1. P. 491–497.
7. Field K. G. et al. Handbook on the material properties of FeCrAl alloys for nuclear power production applications (FY18 Version: Revision 1). Oak Ridge National Lab. (ORNL), Oak Ridge, TN (United States), 2018. №. ORNL/SPR-2018/905.
8. Kim H. et al. 400 °С aging embrittlement of FeCrAl alloys: Microstructure and fracture behavior // Materials Science and Engineering: A. 2019. Vol. 743. P. 159–167.
9. Kobayashi S., Fukunishi H. Reduction of thermal expansion of ferritic/martensitic heat resistant steels-alloying effects on thermal expansion of α-Fe phase // ISIJ International. 2020. Vol. 60, Iss. 12. P. 2983–2989.
10. Xiong W. et al. An improved thermodynamic modeling of the Fe–Cr system down to zero kelvin coupled with key experiments // Calphad. 2011. Vol. 35, Iss. 3. P. 355–366.
11. Kawahara K. et al. High temperature deformation and fracture in ferromagnetic Fe–Co and Fe–Cr alloys (Brittle Fracture) // Proceedings of the Asian Pacific Conference on Fracture and Strength and International Conference on Advanced Technology in Experimental Mechanics 1.01. 203. The Japan Society of Mechanical Engineers, 2001. P. 134–139.
12. Watanabe T. High temperature magnetic strengthening in iron-based alloys: Magnetic effects on deformation and fracture, revisited // International journal of Materials Research. 2009. Vol. 100, Iss. 4. P. 614–624.