Разработка конструкционных материалов для жидкосолевого ядерного реактора на быстрых нейтронах, реализующего замкнутый ядерный топливный цикл

Abstract

Согласно дорожной карте мирового развития атомной энергетики жидкосолевой реактор с пристанционным уран-ториевым ядерно-топливным циклом является одним из шести инновационных реакторных конструкций. Для развития концепции солевого ядерного реактора и ее реализации необходимо осуществить подбор стойких конструкционных материалов в урансодержащих солевых расплавах. Объектами исследования выбраны коррозионностойкие аустенитные сплавы на основе никеля и стали на основе железа. Исследования осуществлены при 750 °С в электролите NaCl–KCl–UCl3 и NaCl–KCl–UCl4 с содержанием урана 1 и 6 мас.%. Определены скорости коррозии исследуемых материалов в расплаве после 30 часов выдержки. Показано, что все исследуемые материалы, за исключением суперсплава Hastelloy N, подвергаются структурным изменениям и, как следствие, межкристаллитной коррозии. По границам зерен у большинства никелевых сплавов в процессе выдержки образуются избыточные интерметаллические мю-фазы, а у аустенитных сталей 12Х18Н10Т и 03Х17Н14М3 – карбиды хрома, что приводит к образованию микрогальванопар и последующему растворению их анодных зон. Сделаны выводы о применимости материалов в расплавах и их перспективах использования.

According to the technology roadmap for Generation IV nuclear energy systems molten salt reactors (MSR) with on-site uranium-thorium nuclear fuel cycle is one of six innovative reactor types. Practical realization of MSR relies on construction materials stable in uranium- and thorium-containing salt melts. Corrosion-resistant alloys based on nickel and steels based on iron were chosen for the present study. Corrosion tests were performed in NaCl–KCl–UCl3, NaCl–KCl–UCl4 (1, 6 wt. % uranium) melts at 750 °С. The corrosion rates of the studied materials were determined after 30 h of exposure in the melt. It was shown, that all studied materials, except Hastelloy N super alloy, were subjected to structural changes and, as a consequence, to intergranular corrosion. Excessive intermetallic mu-phases were formed along the grain boundaries in nickel based alloys, and chromium carbides in 12Kh18N10T and 03Kh17N14M3 austenitic steels. The formation of excessive phases leads to the appearance of microgalvanic pairs with subsequent dissolution of their anodic zones. Conclusions about possibility and prospects of application of studied materials in melts were made.