Оцінка технологічної пластичності високобористої корозійностійкої сталі в процесі гарячої деформації труб, що застосовуються для розміщення відпрацьованого ядерного палива

Abstract

UK: Постановка проблеми. Сталий розвиток світової ядерної енергетики на подальшу перспективу залежить від того наскільки ефективно будуть вирішені пов’язані з нею проблеми радіаційної безпеки та ядерного розповсюдження. Такі проблеми мають місце, у тому числі, і на кінцевому етапі ядерно-паливного циклу –поводження з відпрацьованим ядерним паливом. Це завдання сьогодні стоїть на порядку денному як для світової спільноти, так і для національних урядів країн, які розвивають або мають наміри розвивати атомну енергетику[1−3]. Наразі, у зв'язку із забезпеченням безпеки атомної енергетики, у світовій практиці знаходять широке застосування борумісні сталі як матеріал для забезпечення біологічного захисту та для виготовлення спеціальних деталей обладнання. Це пояснюється тим, що ізотоп В10, який міститься у сталях, забезпечує захоплення нейтронів [4]. Задляекранізаціїопорногочохлаущільненогосховищавідпрацьованогоядерногопаливаатомнихелектростанційзнадобилисяшестиграннітруби з високобористої сталі. Корозійностійкі сталі, леговані бором, широко використовують в атомній енергетиці завдяки їх спеціальним ядерним властивостям. У процесі експлуатації атомних електростанцій тепловидільні збірки, які відслужили свій термін, підлягають зберіганню в спеціальних сховищах із використанням контейнерів −шестигранних труб, які виготовляють із сталі 04Х14Т3Р2Ф. Для зниження витрат під час будівництва та експлуатації АЕС частина робіт із поводження з відпрацьованим ядерним паливом (ВЯП) повинна виконуватися на підприємствах України. Це забезпечить значний імпортозамінний ефект. Для виготовлення шестигранних труб зі сталі 04Х14Т3Р2Ф за схемою: зливки −гаряча деформація−профілювання−термічна обробка потрібна розробка параметрів гарячої деформації і наступних технологічних операцій. Застосування зазначених труб в ущільнених сховищах відпрацьованого палива АЕС дозволить збільшити вдвічі ємність сховищ, що дасть значний народно-господарський економічний ефект. Матеріал та методи дослідження. Матеріалом для дослідження обраносталь04Х14Т3Р2Ф(ЧС-82), виплавлену за двома варіантами(вакуумно-індукційний –«ВІ» і вакуумно-індукційний з подальшим вакуумно-дуговим переплавом–(«ВД»). Сталь марки 04Х14Т3Р2Ф відносять до високолегованих, корозійностійких сталей феритного класу з високим вмістом бору до (2%). Для дослідження температур фазових перетворень у сталі застосовано метод диференціального термічного аналізу. Для оцінення фазового стану−метод рентгеноструктурного аналізу та мікрорентгено спектрального аналізу. Зразки сталі випробували на прошивання. Після охолодження прошиті зразки піддавалися рентгенівському просвічуванню [5]. Також проведено випробування на гаряче скручування та механічні випробування зависоких температур. Результати. Оцінено макро-і мікроструктуру сталі залежно від способу виплавки. Досліджено фазовий склад сталі. Дослідження пластичних властивостей сталі ЧС-82 випробуваннями на прошиваність і гаряче скручування показало, що область температур максимальної пластичності перебуває в широкому діапазоні (від 1025 до 11500С) задосить незначного опору деформації. За гарячої деформації в температурному інтервалі 11750С і вище спостерігалось руйнування металу по межах зерен у місцях плавлення боридної фази Cr−Fe−B. Слід вважати оптимальним температурний інтервал гарячої деформації сталіЧС-82 в діапазоні 1000−1050⁰С. Наукова новизна. Для корозійностійкої високобористої сталі, яка використовується для зберігання відпрацьованого ядерного палива, вибрано температурний інтервал гарячої деформації та оцінено структурний та фазовий склад, що дозволить деформувати метал на прошивному стані та виготовляти труби.

EN: Statement of the problem.The sustainable development of the global nuclear power industry in the future depends on how effectively the problems of radiation safety and nuclear proliferation are addressed. Such problems occur, among other things, at the final stage of the nuclear fuel cycle–spent fuel management. This task is currently on the agenda of both the international community and national governments of countries that develop or intend to develop nuclear energy [1−3].Today, in connection with ensuring the safety of nuclear energy, boron-containing steels are widely used in the world practice as a material for biological protection and for the manufacture of special equipment parts. This is due to the fact that the B10isotope in steels provides neutron capture [4].Hexagonal pipes made of high-boron steel were needed to shield the support cover of the compacted spent fuel storage facility at nuclear power plants. Corrosion-resistant steels alloyed with boron are widely used in the nuclear power industry due to their special nuclear properties. During the operation of nuclear power plants, fuel assemblies that have served their useful life must be stored in special storage facilities using containers–hexagonal tubes made of 04Сr14Ti3B2V steel. To reduce costs during in the construction and operation of NPPs, part of the spent nuclear fuel management should be performed at Ukrainian enterprises. This will provide a significant import substitution effect. To manufacture hexagonal tubes from 04Сr14Ti3B2V steel according to the ingot-hot deformation-profiling-heat treatment scheme, it is necessary to develop the parameters of hot deformation and subsequent technological operations. The use of these pipes in compacted spent fuel storage facilities of NPPs will allow to increase the storage capacity by 2 times, which will give a significant national economic effect Material and methods of research. Material used for the study was steel 04Сr14Ti3B2V (CS-82), smelted using two variants (vacuum-induction –“VI”and vacuum-induction followed by vacuum-arc remelting –(“VD”).Steel grade 04Сr14Ti3B2V belongs to high-alloy, corrosion-resistant ferritic steels with a high boron content of up to 2%. The method of differential thermal analysis was used to study the phase transformation temperatures in the steel. X-ray diffraction and micro-X-ray spectral analysis were used to assess the phase state.The steel samples were tested for weldability After cooling, the welded samples were subjected to X-ray transmission [5]. Hot twisting tests and mechanical tests at high temperatures were also performed. The macro-and microstructure of the metal was studied. Results.The macro-and microstructure of steel was evaluated depending on the smelting method. The phase composition of the steel was studied. The study of the plastic properties of steel ChS-82 by means of penetration and hot twisting tests showed that thetemperature range of maximum plasticity is in a wide range (from 1025 to 1150 0C) with a rather low resistance to deformation. During hot deformation in the temperature range of 1175 0C and above, metal fracture was observed along the grain boundaries at the melting points of the Cr−Fe−B boride phase. The optimal temperature range for hot deformation of steel ChS-82 is 1000−1050⁰С. Scientific novelty.For corrosion-resistant high boron steel used for spent nuclear fuel storage, the temperature range of hot deformation was selected and the structural and phase composition was estimated, which will allow deforming the metal on the piercing mill and manufacturing pipes.