Известия вузов. Ядерная энергетика

Рецензируемый научно-технический журнал. ISSN: 0204-3327

Гальваническая коррозия циркониевых сплавов в водном теплоносителе

09.07.2020 2020 - №02 Материалы и ядерная энергетика

А.Ю. Мелеховец И.В. Пышин

DOI: https://doi.org/10.26583/npe.2020.2.05

УДК: 621.039.546

Одним из лимитирующих факторов эксплуатации ядерного реактора является деградация конструкционных материалов активной зоны и оболочек твэлов, выполненных из циркониевых сплавов, под действием водного теплоносителя. Так для реакторов BWR характерно локальное усиление коррозии поверхности оболочки топливного канала из Zircaloy-2 вблизи от стальных стержней системы управления защитой (СУЗ) (теневая коррозия). Общепринятое объяснение состоит в том, что это явление вызвано гальваническим эффектом.

Представленная математическая модель показывает, что разнородные металлы в активной зоне (циркониевый сплав и сталь) образуют коррозионный гальванический элемент, в результате чего происходит усиление местной коррозии циркониевого сплава. В PWR и ВВЭР за счет большего расстояния между конструкционными элементами активной зоны с разными электрохимическими потенциалами процесс гальванической коррозии идет более равномерно по большей площади корродирующего элемента, поэтому теневая коррозия не возникает. Однако вклад гальванических эффектов в общий коррозионный процесс может быть значительным.

Ссылки

  1. Решетников Ф.Г., Бибилашвили Ю.К., Головнин И.С. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. – М.: Энергоатомиздат. – 1995. – 317 с.
  2. Бибилашвили Ю.К., Велиханов А.Г., Иолтуховский А.Г. Опыт эксплуатации твэлов в реакторах ВВЭР, включая анализ нештатных ситуаций. –// ВАНТ. Сер. ФРП и РМ. – 1997. – Вып. 1-2. – С. 84-105.
  3. The Safety of WWER and RBMK Nuclear Power Plants. Review. IAEA TECDOC-773. – МАГАТЭ. – 1994.
  4. Review of Fuel Failures in Water Cooled Reactors, IAEA Report. Techical Report Ser. No. 388. – IAEA, Vienna. –1998.
  5. Страссер А. Мировой опыт эксплуатации твэлов легководных реакторов. // Атомная техника за рубежом. – 1986. – № 9. – С. 28.
  6. Chatelain A. et al. Enhanced Corrosion of Zirconium-Base Alloys in Proximity to Other Metals: The «Shadow Effect». / Proc. of the ANS International Topical Meeting on Light Water Reactor Fuel Performance. – Park City, Utah, April 10-13, 2000.
  7. Chen J.S.F., Adamson R.B. Observations of Shadow Phenomena on Zirconium Alloys. / In: Proc. of the International Topical Meeting on LWR Fuel Performance. – West PalmBeach, USA. – 1994. – PP. 309-317.
  8. Fukuya K., Echigoya H., Hattori Y., Kobayashi K., Kobayashi K., Sasaki T. BWR fuel channel performance and localized corrosion at high burnups. / In: Proc. of the International Topical Meeting on LWR Fuel Performance. ANS. –West Palm Beach, Florida. – 1994. – PP. 580-586.
  9. Mahmood S.T., Cantonwine P.E., Lin Y.P., Crawford D.C. Shadow Corrosion-Induced Bow Of Zircaloy-2 Channels. / In: Proc. of the XVI-th Intern. Symposium on Zirconium in the Nuclear Industry. – Chengdu, China. – 2010. DOI: https://doi.org/10.1520/STP152920120038 .
  10. Lysell, G., Nystrand, A., and Ullberg, M., Shadow Corrosion Mechanism of Zircaloy. // Journal of ASTM International. – 2005. – Vol. 2. – No. 6. – PP. 1-17. DOI: https://doi.org/ 10.1520/JAI12374 .
  11. P. Barberis, M. Skocic, D. Kaczorowski, D. Perche, Y. Wouters, K. Nowotka Shadow corrosion: Experiments and modeling. // Journal of Nuclear Materials. – 2019. – Vol. 523. – PP. 310- 319. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2019.06.001 .
  12. Trowse F.W., Sumerling R., Garlick A. Nodular Corrosion of Zry-2 and Some Other Zirconium Alloys in Steam Generating Heavy Water Reactors and Related Environments. / In: Zirconium in the Nuclear Industry, ASTM-STP 633. – 1977. – PP. 236-257; DOI: https://doi.org/10.1520/STP35574S .
  13. Adamson R., Cox B., Rudling P., Strasser A., Wikmark G. The Annual Review of Zirconium Alloy Technology for 2000. / ZIRAT5 Annual Report. – Molnlycke: ANT International. – 2001.
  14. Buttin P., Malki B., Barberis P., Baroux B. Numerical analysis of the galvanic coupling in the shadow corrosion of zirconium alloy. // Journal of Nuclear Materials. – 2012. – Vol. 420. – PP. 591-596. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2011.11.002 .
  15. Greek A. The first hydrofoil ships in the XXI-st century are being built in Russia. // Popular Mechanics. – 2017. – Iss. 3. – PP. 68-73.
  16. Adamson R., Garzarolli F., Cox B., Strasser A., Rudling P. Corrosion Mechanisms in Zirconium Alloys. ZIRAT12/IZNA7 Special Topics Report, ANT International, Molnlycke, Sweden, 20072008.
  17. Allen T.R., Konings R.J.M., Motta A.T. Corrosion of Zirconium Alloys. // Comprehensive Nuclear Materials. – 2012. – Vol. 5. – PP. 49-68. DOI: https://doi.org/10.1016/B978-0-08-056033-5.00063-X .
  18. Hudson Daniel, Ni Na, LozanoPerez Sergio, Saxey David, English Colin, Smith George D.W., Sykes John, Grovenor Chris. The Atomic Scale Structure and Chemistry of the Zircaloy-4 Metal-Oxide Interface. / Proc. of the XIV-th International Conference on Environmental Degradation of Materials in Nuclear Power Systems. – Virginia Beach, VA, August 23-27, 2009. – P. 1407.
  19. Ni N., Hudson D., Wei J., Wang P., LozanoPerez S., Smith G.D.W., Sykes J.M., Yardley S.S., Moore K.L., Lyon S., Cottis R., Preuss M., Grovenor C.R.M. How the Crystallography and Nanoscale Chemistry of the Metal/Oxide Interface Develops during the Aqueous Oxidation of Zirconium Cladding Alloys. // Acta Materialia. – 2012. – Vol. 60. – PP. 7132-7149. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2012.09.021 .
  20. Hillner E., Franklin D.G., Smee J.D. Long-term corrosion of Zircaloy before and after irradiation. // Journal of Nuclear Materials. – 2000. – Vol. 278. – PP. 334-345. DOI: https:// doi.org/10.1016/S0022-3115(99)00230-5 .
  21. Kass S. Aqueous corrosion of the zircaloys at low temperatures. // J. of Nuclear Materials. – 1969. – Vol. 29. – Iss. 3. – PP. 315-321. DOI: https://doi.org/10.1016/0022-3115(69)90208-6 .
  22. Красноярский В.В., Френкель Г.Я., Носов Р.П. Коррозия и защита металлов. – М.: Металлургия. – 1969. – 299 с.
  23. Королев С.А., Михеев В. П. Датчики и детекторы физико-энергетических установок. Учебное пособие. – М.: НИЯУ МИФИ. – 2011.

коррозия твэл циркониевый сплав оксидная плёнка гальванический эффект электрохимический потенциал