Композиты в высокотемпературных ядерных реакторах

С.Т. Милейко1, М.М. Тревгода2, А.А. Осипов2

1Институт физики твёрдого тела РАН, Черноголовка Московской обл., Россия

2Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского,Обнинск, Россия

Краткое предварительное сообщение

Обсуждение достоинств и перспектив высокотемпературных ядерных реакторов с тяжёлыми металлическими теплоносителями (ТЖМТ)

Роль композитных материалов в реализации проекта

Хорошо бы услышать конструктивную критику

Краткое предварительное сообщение

Обсуждение достоинств и перспектив высокотемпературных ядерных реакторов с тяжёлыми металлическими теплоносителями (ТЖМТ)

Роль композитных материалов в реализации проекта

Хорошо бы услышать конструктивную критику

Преимущества ядерных реакторов с ТЖМТ очевидны

Современная атомная энергетика: кпд 20-45% Современная теплоэнергетика: кпд достигает 60% (парогаз

и др.)

ПОДНЯТЬ ТЕМПЕРАТУРУ до 1000-1100оС: повысить кпд до уровня теплоэнергетики

Ряд других преимуществ (лёгкая масштабируемость, расширение энерготехнологических возможностей - производство Н2, снижение нагрузки на экологию и др.)

Требования к материалам горячей зоны реактора

Коррозионная стойкость в свинце Радиационная стойкость Прочность, трещиностойкость, крипостойкость

Коррозионная стойкость оксидов в свинце

MgO

BeO

Y2O3

SiO2

MgAl2O4

Y3Al5O12….

Но хрупкость!?

Радикальное решение - композиты

Пример 1: Y3Al5O12-Y3Al5O12 композит

Монокристаллическое волокно Y3Al5O12 в поликристаллической Y3Al5O12 матрице:Эта комбинация обеспечивает прочность, трещиностойкость и крипостойкость при высоких температурах

Пример 2: Сапфировое волокно – Мо-матрица

Kazmin,V.I, Mileiko,S.T., and Tvardovsky,V.V., Strength of ceramic matrix - metal fibre composites, Compos. Sci. and Technology, 38 (1990) 69 - 84.

Пример 2: Оксидное волокно – Мо-матрица

Kazmin,V.I, Mileiko,S.T., and Tvardovsky,V.V., Strength of ceramic matrix - metal fibre composites, Compos. Sci. and Technology, 38 (1990) 69 - 84.

Пример 3: SiC-SiC

У нас нет волокон SiC, в странах Запада Востока >100 т в год

В.А. Ивановым и Е.А. Орловой (ФЭИ) в начале 90-х годов исследовались образцы композита типа 1 (Al2O3-Al2O3) и композита типа 2.Результаты исрытаний при температуре 1000оС в течение 250 ч – положительные.

Коррозионная стойкость композитов в свинце

Монокристаллические волокна

Метод внутренней кристаллизации

Метод внутренней кристаллизации

Internal Crystallisation Method

далее

Метод внутренней кристаллизации

5. Dissolution of molybdenum

Метод внутренней кристаллизации (МВК)

5. Dissolution of molybdenum

A variety of possible compositions and microstructures of composites is determined mainly by the availability of various oxide fibres obtained by the internal crystallisation method

Single crystalline– Sapphire– YAG– Mullite

MgAl2O4

Eutectics– Al2O3-Al5Y3O12 (AY)

– Al2O3-Er5Y3O12 (AEr)

– Al2O3-Al5Y3O12-ZrO2 (AYZ)

– Al2O3-AlLaO3 (ALa)

– etc.

МВК-волокна: форма и размеры

МВК-волокна: прочность и высокотемпературная ползучесть

Eutectic fibres (Al2O3-Y3Al5O12):strength – crystallisation rate

1 10 100 1000

1000

2000

Be

nd

ing

str

en

gth

/ M

Pa

Pulling rate / mm/min

Base: 0.8 - 1.2 mm

E = 400 GPa

Thermal gradients and thermal stresses

Nano-structured

Eutectic fibres (Al2O3-Y3Al5O12-ZrO2):strength – crystallisation rate

0.1 1 10 1000

200

400

600

800

1000

1200

1400

S

tre

ng

th /

MP

a

Pulling rate / mm/min

Base 1 mm

Сопротивление ползучести (CП) монокристаллических волокон муллита и

граната YAG

CП is stress to yield 1% creep strain for 100 h

Метод внутренней кристаллизации (МВК)

5. Dissolution of molybdenum

Метод внутренней кристаллизации (МВК)

Композиты на основе оксидов могут по коррозионным и

механическим характеристикам быть основными материалами

горячей зоны высокотемпературного

реактора с ТЖМТ.

Композиты на основе оксидов:Радиационная стойкость ?