Композиты в высокотемпературных ядерных реакторах С.Т. Милейко 1, М.М. Тревгода 2, А.А. Осипов 2 1 Институт физики твёрдого тела РАН, Черноголовка Московской обл., Россия 2 Физико-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 о С: повысить кпд до уровня теплоэнергетики Ряд других преимуществ (лёгкая масштабируемость, расширение энерготехнологических возможностей - производство Н 2, 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 Y 2 O 3 SiO 2 MgAl 2 O 4 Y 3 Al 5 O 12 …. Но хрупкость!?

Радикальное решение - композиты

Пример 1: Y 3 Al 5 O 12 -Y 3 Al 5 O 12 композит

Монокристаллическое волокно Y 3 Al 5 O 12 в поликристаллической Y 3 Al 5 O 12 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)

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)

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 (Al 2 O 3 -Al 2 O 3 ) и композита типа 2. Результаты исрытаний при температуре 1000 о С в течение 250 ч – положительные. Коррозионная стойкость композитов в свинце

Монокристаллические волокна

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 MgAl 2 O 4 Eutectics – Al 2 O 3 -Al 5 Y 3 O 12 (AY) – Al 2 O 3 -Er 5 Y 3 O 12 (AEr) – Al 2 O 3 -Al 5 Y 3 O 12 -ZrO 2 (AYZ) – Al 2 O 3 -AlLaO 3 (ALa) – etc.

МВК-волокна: форма и размеры

МВК-волокна: прочность и высокотемпературная ползучесть

Eutectic fibres (Al 2 O 3 -Y 3 Al 5 O 12 ): strength – crystallisation rate Thermal gradients and thermal stresses Nano-structured

Eutectic fibres (Al 2 O 3 -Y 3 Al 5 O 12 -ZrO 2 ): strength – crystallisation rate 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 ?