Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии

DOI: 10.52150/2522-9117-2023-37-389-406

Балаханова Тетяна Валеріївна, к.т.н., с.н.с., Інститут чорної металургії ім. З. І. Некрасова НАН України, площа Академіка Стародубова, 1, Дніпро, 49107, Україна. ORCID: 0000-0003-2493-218X

Чуйко Ігор Миколайович, к.т.н., с.н.с., Інститут чорної металургії ім. З. І. Некрасова НАН України, площа Академіка Стародубова, 1, Дніпро, 49107, Україна. ORCID: 0000-0002-4753-614X

Парусов Едуард Володимирович, д.т.н., с.н.с., Інститут чорної металургії ім. З. І. Некрасова НАН України, площа Академіка Стародубова, 1, Дніпро, 49107, Україна. ORCID: 0000-0002-4560-2043. E-mail: tometal@ukr.net

Олійник Едуард Вадимович, аспірант, Інститут чорної металургії ім. З. І. Некрасова НАН України, площа Академіка Стародубова, 1, Дніпро, 49107, Україна. ORCID: 0000-0002-3366-3746

ДЕЯКІ АСПЕКТИ ВИКОРИСТАННЯ СТАЛЕЙ ПІД ЧАС ПОЗАРЕАКТОРНОГО ЗБЕРІГАННЯ ТА ТРАНСПОРТУВАННЯ ВІДПРАЦЬОВАНОГО ЯДЕРНОГО ПАЛИВА. (ОГЛЯД)

Анотація. У світі ядерна промисловість вважається ідеальним варіантом екологічного джерела енергогенерації, що базується на поділі радіоактивного нукліда хімічного елементу 235U. При виробництві електроенергії атомними електростанціями головний недолік полягає в утворенні радіоактивних відходів. Після видалення відпрацьованого палива з ядерного реактора його розміщують у спеціальних контейнерах, які містять поглинальні та затримувальні елементи. Очевидно, що зберігання та транспортування відпрацьованого ядерного палива відіграє важливу роль у розвитку і загальній безпеці атомної промисловості, а високоякісні нейтронно-поглинальні матеріали є основою для успішного виготовлення надійних конструкцій та ємностей. Розроблення сучасних нейтронно-абсорбційних матеріалів забезпечує надійність, безпеку, довготривалість зберігання, а також зменшення вартості логістичних операцій, пов’язаних із перевезенням радіоактивних відходів. За результатами аналізу науково-технічних джерел узагальнено сучасні уявлення щодо матеріалів для виготовлення контейнерів, які використовують для зберігання та транспортування відходів ядерного палива. Розглянуто переваги та недоліки основних матеріалів, які використовують під час утилізації відпрацьованого ядерного палива. Встановлено, що з точки зору економічної складової найбільш раціональним матеріалом для зберігання та транспортування радіоактивних відходів є нержавіюча сталь феритного класу з підвищеним вмістом бору, яка окрім поглинальних здібностей характеризується іншими властивостями, обов’язковими для зазначеного виду продукції. Оскільки бор володіє низькою здатністю до розчинення як в аустеніті, так і фериті, то це призводить до формування боридів різного типу, які сприяють окрихченню конструкційного матеріалу. При цьому, розподілення боридів за об’ємом металовиробу визначають не тільки комплекс властивостей, але і захисні властивості матеріалу та технологічність виготовлення з нього кінцевої продукції. Не дивлячись на те, що борвмісні сталі феритного класу відомі вже тривалий час, питання пов’язані із процесами структуроутворення, підвищенням технологічних та експлуатаційних властивостей, досі залишаються недостатньо вивченими та дискусійними. Відсутня також інформація щодо впливу термічного оброблення на формування структури та механічних властивостей готових металовиробів із нержавіючих сталей феритного класу. Успішне розв’язання зазначених науково-технічних проблем забезпечить отримання сучасних високоякісних нейтронно-поглинальних контейнерів для позареакторного зберігання та транспортування відпрацьованого ядерного палива.

DOI: https://doi.org/10.52150/2522-9117-2023-37-389-406

Ключові слова: відпрацьоване ядерне паливо, поглинання нейтронів, захисні матеріали, бор, нержавіючі сталі феритного класу.

Посилання для цитування: Деякі аспекти використання сталей під час позареакторного зберігання та транспортування відпрацьованого ядерного палива. (Огляд) / Т. В. Балаханова, І. М. Чуйко, Е. В. Парусов, Е. В. Олійник // Фундаментальні та прикладні проблеми чорної металургії. 2023. Вип. 37. С. 389-406. https://doi.org/10.52150/2522-9117-2023-37-389-406

Перелік посилань

  1. Fernández-Arias P., Vergara D., Antón-Sancho Á. Global Review of International Nuclear Waste Management. Energies. 2023. Vol. 16. P. 6215. https://doi.org/10.3390/en16176215.
  2. Fernández-Arias P., Vergara D., Antón-Sancho Á. Bibliometric Review and Technical Summary of PWR Small Modular Reactors. Energies. 2023. Vol. 16. https://doi.org/10.3390/en16135168.
  3. Dolin V., Frano R., Kopylenko O., Cancemi S. Assessment of the behavior of spent nuclear fuel in Ukraine. Safety of Nuclear Waste Disposal. 2023. Vol.2. P. 199-200. https://doi.org/10.5194/sand-2-199-2023.
  4. Khotiaintseva O., Khotiaintsev V., Gulik V. Radiological characteristics of spent nuclear fuel from small modular reactors under consideration for deployment in Ukraine. Nuclear Technology and Radiation, Protection. 2023. Vol. 38. P. 88-95. https://doi.org/10.2298/NTRP2302088K.
  5. Transport of Radioactive Material (Updated January 2022). URL: https://world-nuclear.org/information-library/nuclear-fuel-cycle/transport-of-nuclear-materials/transport-of-radioactive-materials.aspx.
  6. Григораш О., Дибач О., Кондратьєв С., Горбаченко О., Панченко А., Шугайло О., Ковбасенко Ю., Вишемірський М., Богорад В., Бєлих Д., Шендерович В. Питання ядерної та радіаційної безпеки централізованого сховища відпрацьованого ядерного палива АЕС України. Ядерна та радіаційна безпека. 2017. № 75. С. 3–10. https://doi.org/10.32918/nrs.2017.3(75).01.
  7. Fukuda T., Kobata M., Shobu T., Yoshii K., Kamiya J., Iwamoto Y., Makino T., Yamazaki Y., Ohshima T., Shirai Y., Yaita T. Direct energy conversion using Ni/SiC Schottky junction in 237Np and 241Am gamma ray regions. Journal of Applied Physics. 2022. Vol. 132. 245102. https://doi.org/10.1063/5.0099136.
  8. Kurniawan T. A., Othman M. H. D., Singh D., Avtar R., Hwang G. H., Setiadi T., Lo W.-h. Technological solutions for long-term storage of partially used nuclear waste: A critical review. Annals of Nuclear Energy. 2021. Vol. 166. 108736. https://doi.org/10.1016/j.anucene.2021.108736.
  9. Hu G., Pfingsten W. Data-driven machine learning for disposal of high-level nuclear waste: A review. Annals of Nuclear Energy. 2023. Vol. 180. 109452. https://doi.org/10.1016/j.anucene.2022.109452.
  10. He J. Y., Soliman S. E., Baratta A. J., Balliett T. A. Fracture Mechanism of Borated Stainless Steel. Nuclear Technology. 2000. Vol. 130:2, p. 218-225. https://doi.org/10.13182/NT00-A3089.
  11. Smith R., Loomis G., Deltete C. Borated stainless steel application in spent-fuel storage racks. Report. 1992. WEB: https://www.osti.gov/biblio/7024014.
  12. Hafez S., Elshazly R., Eissa M., EL-Kameesy S. High Borated Stainless-Steel Alloys for Nuclear Reactor Domains. Arab Journal of Nuclear Sciences and Applications. 2021. Vol. 54. P. 97–104. https://doi.org/10.21608/
    ajnsa.2021.29519.1352.
  13. Li Y.-W., Liu H.-T., Wang Z., Zhang Z.-H., Li W.-T., Shen H.-Y., Zhang X.-M., Wang G.-D. Solidification microstructure of high borated stainless steels with rare earth and titanium additions. Rare Metals. 2019. 39. P. 1483–1491. https://doi.org/10.1007/s12598-019-01247-w.
  14. Li Y.-W., Wang Z., Liu H.-T., Li G. Effect of Solution Treatment on the Microstructure and Mechanical Properties of High-Borated Steel Composites. Journal of Materials Engineering and Performance. 2022. 32. https://doi.org/10.1007/
    s11665-022-07312-3.
  15. Cizek P., Parker B., Bijok M., Zuna P. The Influence of Large Boride Particles on Microstructural Evolution in AISI 304 Steel. Isij International. 1994. Vol. 34. Iss. 8. P. 679–688. https://doi.org/10.2355/isijinternational.34.679.
  16. Chen Y., Nie J., Wang F., Yang H., Wu C., Liu X., Zhao Y. Revealing hetero-deformation induced (HDI) stress strengthening effect in laminated Al-(TiB2+TiC) p/6063 composites prepared by accumulative roll bonding. Journal of Alloys and Compounds. 2019. 815. 152285. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.152285.
  17. Li Y.-W., Liu H.-T., Wang Z., Zhang X.-M., Wang G.-D. Suppression of edge cracking and improvement of ductility in high borated stainless steel composite plate fabricated by hot-roll-bonding. Materials Science and Engineering: A. 2018. 731. https://doi.org/10.1016/j.msea.2018.06.039.
  18. Moon J., Jang J., Kim S.-D., Lee T.-H., Ha H.-Y., Lee C.-H., Hong H. Different aspect of solidification cracking susceptibility and hot ductility behavior of borated stainless steels and the effects of boron content. Materials Characterization. 2020. 164. 110319. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2020.110319.
  19. Sun W., Hu G., Xu H., Li Y., Wang C., Men T., Ji F., Lao W., Yu B., Sheng L. Study on the Influence of Reinforced Particles Spatial Arrangement on the Neutron Shielding Performance of the Composites. Materials. 2022. Vol. 15(12). P. 4266. https://doi.org/10.3390/ma15124266.
  20. Jung Y., Lee Y., Kim J., Ahn S. Accelerated Corrosion Tests of Al-B4C Neutron Absorber Used in Spent Nuclear Fuel Pool. Journal of Nuclear Materials. 2021. Vol. 552. P. 153011. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2021.153011.
  21. Jung Y., Lee M., Kim K., Ahn S. 10B(n, α)7Li reaction-induced gas bubble formation in Al–B4C neutron absorber irradiated in spent nuclear fuel pool. Journal of Nuclear Materials. 2020. Vol. 533. P. 152077. https://doi.org/10.1016/
    j.jnucmat.2020.152077.
  22. Xue X., Wang C., Tao J., Cao X.-Z., Ri R., Yang H. Research Progress on Aluminum-Boron Compounds (Al-B) and Its Composite Materials. Bulletin of the Chinese Ceramic Society. Journal of Inorganic Materials. 2013. Vol. 32. P. 2037-2045. Link: https://bit.ly/3161Gy5.
  23. Lindquist K. Handbook of Neutron Absorber Materials for Spent Nuclear Fuel Transportation and Storage Applications: Technical Report. Electric Power Research Institute: Palo Alto, CA, USA, 2022. https://www.epri.com/research/
    products/000000003002018496.
  24. Huang M., Fan G.-H., Geng L., Cao G., Du Y., Wu H., Zhang T., Kang H., Wang T., Du G., Xie H. Revealing extraordinary tensile plasticity in layered Ti-Al metal composite. Scientific Reports. 2016. 6. 38461. https://doi.org/10.1038/
    srep38461.
  25. So K., Chen D., Kushima A., Li M., Kim S., Yang Y., Wang Z., Park J., Lee Y.-H., Gonzalez R., Kiwi M., Bringa E., Shao L., Li J. Dispersion of carbon nanotubes in aluminum improves radiation resistance. Nano Energy. 2016. Vol. 22. DOI: 10.1016/j.nanoen.2016.01.019.
  26. Wu S., Li H., Futaba D., Chen G., Chen C., Zhou K., Zhang Q., Li M., Ye Z., Xu Ming. Structural Design and Fabrication of Multifunctional Nanocarbon Materials for Extreme Environmental Applications. Advanced Materials. 2022. Vol. 34. https://doi.org/10.1002/adma.202201046.
  27. Huo Z., Zhao S., Zhong G., Zhang H., Hu L. Surface modified-gadolinium/boron/polyethylene composite with high shielding performance for neutron and gamma-ray. Nucl. Mater. Energy 2021, Vol. 29. P. 101095–101107. https://doi.org/10.1016/j.nme.2021.101095.
  28. Wang P., Tang X., Chai H., Chen D., Qiu Y. Design, fabrication, and properties of a continuous carbon-fiber reinforced Sm2O3/polyimide gamma ray/neutron shielding material. Fusion Eng. Des. 2015, Vol. 101. P. 218–225. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2015.09.007.
  29. Li X., Wu J., Tang C., He Z., Yuan P., Sun Y., Lau W.-M., Zhang K., Mei J., Huang Y. High temperature resistant polyimide/boron carbide composites for neutron radiation shielding. Composites Part B: Engineering. 2018. 159. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2018.10.003.
  30. Kim T.-M., Dho H.-S., Cho C.-H., Ko J.-H. Preliminary Shielding Analysis of the Concrete Cask for Spent Nuclear Fuel Under Dry Storage Conditions. Journal of the Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology (JNFCWT). 2017. 15. P. 391–402. https://doi.org/10.7733/jnfcwt.2017.15.4.391.
  31. Tanaka T., Hagiwara K., Gazzola E., Ali A., Ou I., Sudo T., Das P. K., Reen M. S., Dhir R., Koshio Y., Sakuda M., Kimura A., Nakamura S., Iwamoto N., Harada H., Collazuol G., Lorenz S., Wurm M., Focillon W., Gonin M., Yano T. Gamma-ray spectra from thermal neutron capture on gadolinium-155 and natural gadolinium. Progress of Theoretical and Experimental Physics. 2020. Vol. 2020. Iss. 4. 043D02. https://doi.org/10.1093/ptep/ptaa015.
  32. Piotrowski T. Shielding concrete with neutron attenuating and absorbing components. Micro and Nanostructured Composite Materials for Neutron Shielding Applications. 2020. P. 177–218. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-819459-1.00007-6.
  33. Divya M., Albert S. K. Weldability Study on SS 304B4 Joined using Boron Containing Austenitic Stainless Steel Consumable. Journal of Welding and Joining. 2018. 36(6). P. 60–70. https://doi.org/10.5781/JWJ.2018.36.6.10.
  34. Hadzihafizovic D. Stainless steel classification. 2023.
  35. Поболь И. Л. Применение электронно-лучевых технологий – этап решения проблемы обращения с отработавшим ядерным топливом. Вестник Полоцкого государственного университета. Серия B. Промышленность. Прикладные науки. 2014. № 3. С. 35–42.
  36. Baddoo N. R. Stainless Steel in Construction: A Review of Research, Applications, Challenges and Opportunities. Journal of Constructional Steel Research. 2008. 64. 1199-1206. https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2008.07.011.
  37. Nickel – 2023 Data – 1993-2022 Historical – 2024 Forecast – Price – Quote – Chart (tradingeconomics.com).
  38. Charles J., Mithieux J.D., Santacreu P.O., Peguet L. The ferritic stainless family: the appropriate answer to nickel volatility? Revue De Metallurgie-cahiers D Informations Technique. 2009. 106, 124-139. https://doi.org/10.1051/metal/2009024.
  39. Silva D., Nascimento A., Koga G., Zepon G., Kiminami C., Botta W., Bolfarini, C. Alloy design for microstructural-tailored boron-modified ferritic stainless steel to ensure corrosion and wear resistance. Journal of Materials Research and Technology. 2023. 24. P. 418–429. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.03.023.
  40. Wang Z., Li Y.-W., Wang G.-D., Liu H.-T. Effects of boron content on the microstructure and mechanical properties of twin-roll strip casting borated steel sheets. Materials Science and Engineering: A. 2020. 793. 139847. https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.139847.
  41. Пат. RU 2412770 Способ изготовления трубной заготовки с однородной структурой. А.С. № 2009134665/02., № заявл. 17.09.2009., опубл. 27.02.2011, Бюл. № 6.
  42. Пат. RU 2618687 Шестигранная труба–заготовка из стали с содержанием бора от 1,3 до 3,0 % и способ её изготовления. № 2016110316, заявл. 22.03.2016., опубл. 10.05.2017, Бюл. № 13.
  43. Никитин К. Н., Осадчий В. Я., Сафьянов А. В., Коликов А. П., Бубнов К. Э. Совершенствование технологии производства бесшовных шестигранных труб из борсодержащих сталей. Черные металлы. 2016. №10. С. 39–43.

No widgets added. You can disable footer widget area in theme options - footer options

Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии
Logo