Ниобијум у нуклеарним реакторима: Нб-1Зр, Зр-2.5Нб и облоге

Зашто се ниобијум квалификује за сервис реактора

Унутар језгра реактора, материјали се бирају на основу комбинације нуклеарних, термичких и хемијских критеријума, и ниједно својство не одлучује о избору. Ниобијум задовољава комплетан сет боље од већине ватросталних метала, због чега се појављује у хардверу горивног склопа, круговима расхладне течности и суперпроводним магнетним системима.

Пресек за хватање ниског топлотног неутрона{0}}:око 1,15 барна, упоредиво по редоследу величине са цирконијумом на око 0,185 барна и далеко испод тантала на око 20,6 барна, тако да ниобијум не троши значајно неутронски ток нити постаје интензивно радиоактиван.

Висока тачка топљења:приближно 2468 степени, што одржава чврстоћу и стабилност димензија далеко изнад радне температуре система са водом-хлађеним, натријумом{2}}хлађеним и свемирским реакторима.

Добра топлотна проводљивост и топлотна чврстоћа:пренос топлоте остаје ефикасан док материјал задржава корисна механичка својства на температури, што је од суштинског значаја за облагање и структурне компоненте.

Отпорност на корозију на течне метале:ниобијум је отпоран на нападе течног натријума, натријум{0}}калијума еутектика и литијума, расхладних течности које се користе у дизајну брзих и свемирских реактора.

Легура ниобијума нуклеарног{0}}класа

Нелегирани ниобијум је мекан и тежак за структурално коришћење, тако да се примене у реакторима ослањају на мали број добро{0}}карактерисаних легура. Доминантни је ниобијум-1% цирконијума, познат као Нб-1Зр, који подиже чврстоћу-при високим температурама уз задржавање повољних нуклеарних својстава. Производи се у облику ингота, шипки, цеви, лимова и трака према АСТМ спецификацијама, а користи се у реакторским круговима хлађеним течним металом, у концептима реактора за свемирску енергију и у високотемпературним измењивачима топлоте.

Важан образац овде је да ниобијум улази у реакторе-хлађене водом и тешке{1}}реакторе углавном преко легура цирконијума, а не као структурни метал сам по себи. Мали додаци ниобијума - од око 1% у легурама за облагање до око 2,5% у легурама цеви под притиском - потискују тенденцију цирконијума да апсорбује водоник и побољшава понашање корозије у води на високој-температури, што представља истинско повећање перформанси, а не маргинално.

Облагање горива, структурални хардвер и измењивачи топлоте

Облога горива је прва баријера између продуката фисије и расхладне течности, тако да мора бити провидна за неутроне, хемијски компатибилна са расхладном течношћу и димензионално стабилна под зрачењем. Легуре цирконијума које садрже ниобијум{1}} користе се зато што одржавају ниску апсорпцију неутрона док побољшавају перформансе корозије и хидратације у захтевној хемији воде енергетског реактора.

Осим облога, ниобијум и његове легуре се сматрају за:

Структурне компоненте и компоненте омотача у језгрима експерименталних и брзих реактора, где течни{0}}метал за хлађење искључује већину конвенционалних легура.

Средњи измењивачи топлоте у системима са хлађењем течним{0}}металима, где је отпорност на алкалне метале на температури контролни захтев.

Концепти свемирских реактора, где су истовремено битне могућности високе{0}}температуре, мале масе и компатибилности са вакуумом. Ниобијум-1Зр се у овом контексту користи за хардвер радијатора и реактора на високим температурама.

Хардвер за контролу и инструментацију, где је стабилност димензија под зрачењем и температурним циклусима критична.

Ниобијум је такође познат нуклеарној индустрији преко другог пута: као стабилизујући додатак у аустенитним нерђајућим челицима, где повезује угљеник као ниобијум карбид и смањује осетљивост и међугрануларно корозионо пуцање у завареним компонентама.

Суперпроводни магнети: где доминира ниобијум

Највећа појединачна нуклеарна{0}}употреба ниобијума уопште није у језгру, већ у магнетима. Ниобијум-легура титанијума са отприлике 46% титанијума постаје суправодљива испод око 9 К и остаје употребљива у пољима до отприлике 10-12 Т на 4,2 К, због чега је главни проводник за системе за магнетну резонанцу, акцелераторе честица и машине за истраживање фузије. Тамо где су потребна већа поља, интерметално једињење Нб3Сн се користи са критичним пољем изнад 20 Т, по цену тежег и крхког проводника који захтева реакциону топлотну обраду након намотавања.

Уређаји за фузију зависе од обе класе проводника због својих тороидних и полидалних намотаја, а неутронски штит иза тих калемова користи ниобијум{0}}стабилизован нерђајући челик - из исте породице материјала која се појављује у фисионим постројењима из потпуно другог разлога.

Ограничења и уобичајени неспоразуми

Ниобијум се не користи као метал за облагање горива у комерцијалним воденим реакторима. Његов умерени пресек хватања неутрона-је низак, али не тако низак као цирконијум, а у хемији воде његово оксидно понашање није погодно за ту функцију. Његов пут у облоге је као легирајући додатак цирконијуму.

Ватростални не значи инертан. Ниобијум брзо оксидира у ваздуху на високој температури и потребан му је вакуум или инертна атмосфера за обраду и сервис на-вишој температури; такође постаје крхко са интерстицијском контаминацијом кисеоником, азотом и водоником.

Зрачење мења својства. Оштећење неутроном мења снагу, дуктилност и стабилност димензија, тако да дозвољене вредности за пројектовање морају да потичу из озрачених података, а не из -примљених сертификата.

Обрада захтева инертно окружење. Машинска обрада, заваривање и термичка обрада захтевају пажљиву контролу атмосфере, а спајање се обично врши електронским снопом или заваривањем инертним{1}}гасом.

Цена је покретач дизајна. Ниобијум је скуп и његов ланац снабдевања је ограничен, тако да инжењери користе минималну количину у складу са перформансама.

ФАК

It combines a low thermal neutron capture cross-section of about 1.15 barns with a melting point near 2468 C, good thermal conductivity and compatibility with liquid-metal coolants. Those properties allow it to survive high-temperature reactor environments without consuming significant neutron flux.

П: Да ли се ниобијум користи у облагању горива?
Да, али као легирајући елемент, а не као основни метал. Додаци у опсегу од 1% до 2,5% легурама цирконијума побољшавају отпорност на корозију и смањују хватање водоника у водо{3}}хлађеним и тешким{4}}водама реактора и цевима под притиском.

П: За шта се користи Нб-1Зр?
Ниобијум-1% цирконијума се користи за високо-структурне компоненте и хардвер измењивача топлоте у системима са хлађењем течним-металом, као и у концептима свемирских реактора где његова комбинација вруће чврстоће, мале масе и компатибилности са алкалним металом надмашује његову цену.

П: Како се ниобијум односи на суперпроводнике у реакторима?
Ниобијум{0}}титанијумски и Нб3Сн проводници се користе у суперпроводним магнетима машина за истраживање фузије и у акцелераторима и системима за снимање. Магнети садрже плазме или снопове честица за управљање, а не да чине део фисионог језгра, али потражњом за материјалом доминира ова апликација.

П: Која су главна ограничења ниобијума на високој температури?
Оксидација у ваздуху и интерстицијална кртост кисеоником, азотом и водоником. Ниобијум захтева вакуум или инертну атмосферу за обраду и сервис на високим{1}}температурама, а заваривање се мора обавити уз строгу атмосферску контролу.

П: Могу ли се компоненте ниобијума заварити?
Да, коришћењем заваривања електронским снопом у вакууму или гасном волфрам-лучном заваривању уз инертну заштиту високе-чистоће и темељну чистоћу спојева. Заварени спојеви су осетљиви на међупросторну контаминацију, тако да су боја, тврдоћа и, где је потребно, радиографске провере део рутинске контроле квалитета.