Ванадиевые сплавы для ядерной энергетики

МИНИСТЕРСТВО ОБРА ЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»
С.А. Никулин
С.Н. Вотинов
А.Б. Рожнов
Ванадиевые сплавы 
для ядерной энергетики
Монография
Москва  2014 

УДК 669.292
 
Н65
Р е ц е н з е н т
д-р техн. наук, проф. С.В. Добаткин
(ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН)
Никулин, С.А.
Н65  
Ванадиевые сплавы для ядерной энергетики : моногр. / 
С.А. Никулин, С.Н. Вотинов, А.Б. Рожнов. – М. : Изд. Дом 
МИСиС, 2014. – 206 с.
ISBN 978-5-87623-766-8
В монографии изложены сведения о ванадии и его сплавах – перспективных для использования в ядерной энергетике. Рассмотрен комплекс физикомеханических, коррозионных свойств, радиационной стойкости ванадиевых 
сплавов, рассматриваемых в качестве конструкционных материалов (КМ) 
твэлов и других элементов активной зоны реакторов на быстрых нейтронах в 
различных условиях эксплуатации, в том числе в условиях облучения при повышенных температурах в контакте с жидкометаллическим теплоносителем. 
Особое внимание уделено сплавам ванадия системы V–Ti–Cr, а также многослойным материалам на основе сплавов V–4 %Ti–4 % Cr и V–10 % Ti–5 % Cr, 
плакированных ферритной коррозионностойкой сталью (типа Х17), как материалов, наиболее удовлетворяющих предъявляемым требованиям для работы в активной зоне быстрых реакторов нового поколения. Кроме сведений о 
свойствах данных сплавов приводятся технологические основы производства 
изделий из них. Отмечены преимущества ванадиевых сплавов в сравнении 
с другими материалами и анализируются перспективы их использования в 
ядерной энергетике.
Монография может быть полезна научным сотрудникам, занимающимся 
исследованиями и разработкой конструкционных материалов, работникам 
промышленности, интересующимся вопросами производства и применения 
ванадиевых сплавов, а также аспирантам и студентам, специализирующимся 
в области материаловедения и технологии материалов.
УДК 669.292
ISBN 978-5-87623-766-8
© С.А. Никулин, 
С.Н. Вотинов, 
А.Б. Рожнов, 2014

ОГ
ЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ............................................................................................. 5
Введение 
.................................................................................................... 7
Список сокращений ............................................................................... 10
1. Ванадий и его сплавы ......................................................................... 11
1.1. История открытия. Общие сведения .............................................11
1.2. Физико-химические свойства ванадия и его сплавов 
................. 13
1.3. Легирование ванадия и свойства ванадиевых сплавов 
............... 13
1.3.1. Диаграммы состояния ............................................................. 15
1.3.2. Влияние легирования на физические свойства 
.................... 18
1.3.3. Влияние легирования
на кратковременные механические свойства  ................................ 25
1.3.4. Ползучесть и длительная прочность  .................................... 37
1.3.4.1. Определение характеристик ползучести 
и длительной прочности ................................................................ 37
1.3.4.2. Ползучесть и длительная прочность ванадиевых 
сплавов ............................................................................................. 43
1.4. Влияние примесей
на механические свойства сплавов ванадия ....................................... 50
1.4.1. Влияние кислорода, азота, углерода 
...................................... 50
1.4.2. Влияние водорода  ................................................................... 54
1.4.2.1. Растворимость водорода в ванадии и образование 
водородсодержащих фаз ................................................................ 54
1.4.2.2. Водородное охрупчивание................................................ 56
2. Ванадиевые сплавы для активной зоны атомных реакторов  
.........64
2.1. Ядерно-физические свойства  ....................................................... 64
2.2. Влияние облучения на структуру и механические свойства 
сплавов 
..................................................................................................... 71
2.2.1. Радиационное охрупчивание и распухание 
конструкционных материалов  
......................................................... 75
2.2.2. Изменение структуры и свойств ванадиевых сплавов 
при облучении .................................................................................... 79
2.2.2.1. Структура и механические свойства ............................... 79
2.2.2.2. Радиационное распухание  ............................................... 92
2.2.2.3. Радиационная ползучесть  
................................................ 98
3

2.3. Коррозионная стойкость. Взаимодействие 
с жидкометаллическим теплоносителем и топливом  
..................... 100
2.3.1. Механизмы взаимодействия с ЖМТ ................................... 100
2.3.2. Коррозия в натрии и других ЖМТ....................................... 104
2.3.3. Коррозия в других средах ..................................................... 106
2.3.4. Совместимость сплавов ванадия с топливными 
композициями 
....................................................................................111
 2.4. Перспектива использования ванадиевых сплавов в ядерной 
энергетике  .............................................................................................112
3. Технологические основы получения изделий из ванадиевых 
сплавов  ..................................................................................................121
3.1. Получение ванадия и его сплавов ............................................... 121
3.1.1. Виды ванадийсодержащего сырья  
...................................... 121
3.1.2. Основные способы извлечения ванадия из сырья  ............ 125
3.1.3. Получение феррованадия ..................................................... 128
3.1.4. Получение металлического ванадия и его сплавов ........... 130
3.1.5. Краткая характеристика мирового рынка ванадия ............ 138
3.1.6. Области применения ванадия и его сплавов ...................... 142
3.2. Деформационно-термическая обработка ванадиевых 
сплавов  
.................................................................................................. 144
3.3. Получение многослойных металлических материалов 
на основе ванадиевых сплавов ........................................................... 150
3.3.1. Основы производства слоистых металлических 
материалов ........................................................................................ 150
3.3.2. Получение изделий из трехслойного материала 
«сталь–ванадиевый сплав–сталь»  
................................................. 167
3.4. Сварка ванадиевых сплавов 
......................................................... 183
3.5. Охрана труда при производстве ванадия ................................... 189
Библиографический список .................................................................... 193
4

Предисловие
Выбор авторами темы монографии, посвященной ванадиевым 
сплавам, обусловлен необходимостью создания новых конструкционных материалов для ответственных изделий активной зоны атомных 
энергетических реакторов на быстрых нейтронах, способных работать в режиме замкнутого топливного ядерного цикла. Ванадиевые 
сплавы при условии их защиты от коррозии в жидком металле, являются перспективными материалами для таких применений. В связи с 
дальнейшим развитием атомной энергетики России на основе включения в энергетический комплекс реакторов на быстрых нейтронах 
нового поколения, анализ современного состояния знаний в области 
материаловедения ванадия является весьма своевременным. 
Монография включает три основные главы: первая посвящена общим сведениям о ванадии и сплавах на его основе; во второй главе 
обсуждаются свойства ванадиевых сплавов, важных для их работы в 
активной зоне атомных реакторов; в третьей главе описываются технологические основы получения сплавов ванадия и изделий на их 
основе, включая технологию получения тонкостенных трехслойных 
труб на основе ванадиевых сплавов и коррозионно-стойких сталей 
для оболочек твэлов реакторов на быстрых нейтронах. 
В монографии изложены сведения о комплексе физико-механических, коррозионных свойств, радиационной стойкости ванадиевых 
сплавов, рассматриваемых в качестве конструкционных материалов 
элементов активной зоны (прежде всего, твэлов) реакторов в различных условиях эксплуатации, в том числе, в условиях облучения при повышенных температурах в контакте с жидкометаллическим теплоносителем. Особое внимание уделено сплавам ванадия системы V–Ti–Cr, а 
так же многослойным материалам на основе сплавов V–4 % Ti–4 % Cr 
и V–10 % Ti–5 % Cr, защищенных ферритной коррозионностойкой 
сталью (типа Х17), как материалов в наибольшей степени удовлетворяющих предъявляемым требованиям для работы в активной зоне БР 
нового поколения. Кроме сведений о свойствах данных сплавов представлены  технологические основы производства изделий из них.
В монографии использованы как результаты современных исследований по ванадиевым сплавам, опубликованные в последние годы, 
так и уникальные сведения о них, опубликованные много лет назад в 
5

СССР и за рубежом, но практически не вошедшие в современные отечественные и зарубежные обзоры, что делает данную монографию 
особенно ценной и интересной для современного поколения ученых 
и специалистов.
В монографии приводится достаточно много интересных и полных данных о радиационных свойствах ванадиевых сплавов, что в 
монографиях по ванадию, опубликованных более 30 лет назад, освящалось крайне недостаточно. Также большое внимание уделяется 
технологическим основам  получения изделий из ванадиевых сплавов 
и анализируется опыт и последние достижения  в этом направлении. 
Авторы монографии признательны коллегам-специалистам из 
многих организаций, работающих в области реакторного материаловедения, принимавших участие в совместных со специалистами 
НИТУ «МИСиС» работах по созданию и исследованию материалов 
для атомной энергетики. Коллектив авторов также выражает большую благодарность аспиранту кафедры металловедения и физики 
прочности НИТУ «МИСиС» Т.А. Нечайкиной за помощь в подготовке данной монографии.

Введение
Значительные природные ресурсы ванадия, уникальный комплекс 
физико-химических и механических свойств делают его перспективным для создания конструкционных материалов (КМ) различного назначения.
В монографиях и публикациях, посвященных тугоплавким металлам и сплавам ванадия, изданных в России и за рубежом [1–8] в 
60–80-х годах прошлого века, отмечались наиболее перспективные 
области применения ванадиевых сплавов – атомная, авиационная и 
ракетная техника, технические сверхпроводники. Сегодня ванадий 
широко используется во всем мире в металлургии в качестве легирующего элемента при производстве качественных сталей. На основе 
ванадия созданы материалы для первой стенки термоядерного реактора (ТЯР) и технических сверхпроводников. Однако использование 
ванадиевых сплавов в ядерной технике, несмотря на их уникальный 
комплекс свойств (высокую радиационную стойкость, жаропрочность 
и др.) крайне ограничено. 
Интерес к ванадиевым сплавам как материалам для ядерной энергетики объясняется тем, что наиболее важными свойствами ванадия 
являются низкое сечение захвата быстрых нейтронов, высокая радиационная стойкость и высокое сопротивление ползучести при температурах до 700 °С. Однако использование сплавов ванадия в качестве 
материала элементов активных зон, в частности оболочек тепловыделяющих элементов (твэлов), реакторов на быстрых нейтронах (БР) 
оказалось проблематичным из-за ряда особенностей их свойств в различных условиях работы, в том числе, связанных с низкой коррозионной стойкостью в жидкометаллических средах «реакторной» частоты 
из-за катастрофического растворения в присутствии кислорода в теплоносителе. Так, эксперименты в Англии и СССР показали полную 
непригодность ванадиевых сплавов для работы в реакторах с натриевым теплоносителем [9, 10]. Лишь в конце 80-х годов прошлого века 
отмечено возобновление серьезного интереса к ванадиевым сплавам, 
используемым в качестве КМ для ТЯР [10–13]. В 1990–2000-е годы 
ванадиевые сплавы, в частности сплавы системы V–Ti–Cr, активно 
исследовались в связи с проблемами создания ТЯР и ядерных установок космического назначения. Этот интерес был обусловлен тем, что 
ванадиевые сплавы являются единственным материалом, удовлетво7

ряющим критерию спада наведенной активности, т.е. являются «малоактивируемыми сплавами» [14–16].
Развитие ядерной энергетики на современном этапе требует создания и ввода в эксплуатацию нового поколения ядерных энергетических 
реакторов, прежде всего, БР. Включение таких реакторов в общий атомный энергетический комплекс России позволит на практике реализовать 
технологии замкнутого ядерного топливного цикла (ЗЯТЦ), обеспечить 
потребности страны в энергоресурсах и повышение эффективности использования природного урана и отработавшего ядерного топлива. 
Вовлечение в топливный цикл ядерной энергетики реакторов на быстрых нейтронах требует создания твэлов, обладающих соответствующими служебными характеристиками. Ключевой становится проблема 
создания КМ оболочек твэлов, который должен обладать комплексом 
механических и технологических свойств, совместимостью с теплоносителем и топливным материалом, а также стабильностью свойств 
при нейтронном облучении. Комплекс свойств выбранного материала 
должен гарантировать возможность изготовления высококачественных 
особо тонкостенных труб и других полуфабрикатов, комплектующих 
твэлы, поглощающие элементы (пэлы) и тепловыделяющая сборка 
(ТВС), а также возможность массового изготовления надежных изделий. Одной из ключевых задач является создание КМ для ответственных элементов активной зоны реакторов нового поколения, поскольку 
для обеспечения работы реакторов в режиме ЗЯТЦ требуется достижение существенно более высокого выгорания топлива в сравнении с достигнутым в настоящее время уровнем.
Новые эксплуатационные условия составных частей активных зон 
(прежде всего повышенные рабочие температуры оболочек твэлов – 
более 700 °С при уровне накопления радиационных повреждений более 150 сна) требуют повышения требований к КМ.
В качестве КМ в активной зоне БР нашли широкое применение аустенитные и феррито-мартенситные стали.
Совокупность возникающих в реакторных условиях явлений – вакансионного распухания и охрупчивания, радиационной ползучести – 
ограничивает работоспособность применяемых реакторных сталей и 
не позволяет обеспечить требуемые значения глубоких выгораний и 
при этом гарантировать надежную работу активной зоны в ЗЯТЦ.
Возросшие требования показывают необходимость создания новых КМ, способных обеспечить требуемые эксплуатационные харак8

теристики конструктивных элементов активных зон (прежде всего, 
твэлов), для работы в условиях БР нового поколения. 
Несмотря на относительно большой объем накопленных исследователями экспериментальных данных о свойствах ванадиевых 
сплавов, многие аспекты исследований их свойств применительно к 
созданию КМ и технологий промышленного производства из них изделий (в частности, тонкостенных труб для оболочек твэлов) для использования в ядерной энергетике, остаются мало изученными.
Основные общие данные о физико-химических свойствах ванадия и других тугоплавких металлов, о характере взаимодействия 
ванадия с другими элементами, его сплавах и областях применения 
опубликованы в монографиях российских ученых Е.М. Савицкого, 
В.В. Барона, Ю.В. Ефимова, Г.С. Бурханов, К.Б. Поваровой [1, 2], вышедших в свет более трех десятилетий назад. За рубежом, несмотря 
на значительный интерес к этим материалам для ядерной энергетики 
наиболее обобщенные данные о ванадии опубликованы лишь в немногочисленных работах [3, 6, 8, 11].
Сегодня, как и 30 лет назад, приоритет в области разработки и исследований ванадиевых сплавов для ядерной энергетики остается за 
российскими учеными.
Это обстоятельство побудило авторов впервые обобщить результаты исследований ванадиевых сплавов как перспективных КМ для 
ядерной энергетики. Приведенный в книге сравнительный анализ 
комплекса свойств ванадиевых сплавов и многослойных материалов 
на их основе со свойствами других КМ, уже широко применяемых и 
предлагаемых к использованию для элементов активной зоны реакторов, показывает перспективность использования ванадиевых сплавов 
для оболочек твэлов БР, работающих в режиме ЗЯТЦ.
Перспективность сплавов ванадия для этих применений отмечена экспертами в разработанных по заданию ГК «Росатом» Техно 
логи 
ческих дорожных картах «Комплекс мероприятий по обеспечению 
конструкционными материалами проектов БР нового поколения (в 
период до 2030 г.)» в 2009 г. и «Мероприятия по совершенствованию 
существующих и созданию новых конструкционных материалов и технологий производства изделий из них для активных зон БР нового поколения» в 2010 г.
9

Список сокращений
КМ 
– конструкционный материал 
БР 
– реактор на быстрых нейтронах 
ТЯР – термоядерный реактор
ЗЯТЦ – замкнутый ядерный топливный цикл 
ВТРО – высокотемпературное радиационное охрупчивание
НТРО – низкотемпературное радиационное охрупчивание
ЖМТ – жидкометаллический теплоноситель
ТВЭЛ – тепловыделяющий элемент
ПЭЛ – поглощающий элемент
ТВС – тепловыделяющая сборка
РАО – радиоактивные отходы
ВДП – вакуумная дуговая печь
ЭЛП – электронно-лучевая печь
10