Стартовая >> Архив >> Генерация >> Материалы ядерных энергетических установок

Радиационное повреждение нейтронами - Материалы ядерных энергетических установок

Оглавление
Материалы ядерных энергетических установок
Ядерная энергия и материалы
Легководный реактор LWR
Тяжеловодный реактор HWR
Реактор типа LMFBR
Перспективы использования термоядерной энергии
Радионуклидное производство энергии и ее использование
Требования, предъявляемые к выбору ядерных материалов
Свойства реакторных материалов
Анализ специфических свойств материалов при их выборе для ядерных реакторов
Выбор материалов и анализ конструкции с помощью ЭВМ
Компоненты и материалы ядерных реакторов деления
Ядерные топливные материалы
Конструкционные материалы
Материалы органов регулирования, теплоносители
Материалы защиты, системы аварийной защиты
Атомная электростанция (с реактором деления)
Фундаментальные радиационные явления в материалах
Радиационное повреждение нейтронами
Влияние облучения на реакторные материалы
Влияние облучения на физические свойства материалов
Влияние облучения на механические свойства материалов
Влияние облучения на коррозию, свелинг
Отжиг радиационных повреждений, влияние облучения на свойства при низких температурах
Металлический уран
Коррозия урана
Сплавы урана
Влияние облучения на урановое топливо
Керамический уран
Диоксид урана
Радиационное распухание оксидного топлива
Радиационная ползучесть оксидного топлива
Выделение газообразных продуктов деления из оксидного топлива
Монокарбид урана
Нитрид, силицид и сульфиды урана
Коррозия керамического урана, техника безопасности
Плутоний
Металлические сплавы плутония
Керамические соединения плутония
Смешанное керамическое уран-плутониевое топливо
Коэффициент воспроизводства, избыточный коэффициент и время удвоения плутония
Радиационные эффекты плутония
Коррозионные эффекты плутония
Меры безопасности при работе с плутонием
Торий
Свойства тория
Получение и сплавы тория
Керамические соединения тория
Радиационные и коррозионные эффекты тория
Радиоактивный распад в торий-урановом топливном цикле
Конструкционные материалы: металлы
Конструкционные материалы: бериллий и его соединения
Конструкционные материалы: магний
Конструкционные материалы: алюминий
Конструкционные материалы: цирконий
Конструкционные материалы: нержавеющая сталь и никелевые сплавы
Конструкционные материалы: керамика и керметы
Влияние облучения на конструкционные материалы
Коррозия конструкционных материалов
Материалы замедлителя и отражателя
Графит
Материал бланкета
Материал теплоносителя
Материалы систем регулирования, защиты и аварийной защиты
Защита реактора
Системы аварийной зашиты реактора и используемые в них материалы
Материалы в топливных циклах, процессах обогащения и переработки топлива
Обогащение топлива
Переработка топлива
Материалы, используемые в процессах переработки отработавшего топлива
Переработка ядерного топлива
Топливные материалы, участвующие в U-Pu-топливном цикле
Тепловыделяющие элементы
Связующий материал твэлов
Материалы, применяемые при изготовлении твэлов
Каналы для теплоносителя и системы трубопроводов
Корпуса реакторов под давлением
Радиационные эффекты при работе материалов ядерного топлива и конструкционных материалов
Коррозия и трещины материалов твэлов, коррозия каналов теплоносителя
Образование коррозионных и усталостных трещин и течей в каналах для теплоносителей, трубопроводах
Материалы радионуклидных генераторов энергии и термоядерных реакторов
Радионуклидное топливо
Материалы оболочек, материалы и теплоносители радионуклидных генераторов
Концептуальные проекты термоядерных реакторов
Компоненты и материалы термоядерных реакторов
Материалы для изготовления магнитной системы и системы безопасности термоядерных реакторов
Взаимодействие материалов с первой стенкой термоядерного реактора
Материалы первой стенки термоядерного реактора и влияние на них облучения

Изменение ядерных, физических, тепловых, химических или механических свойств материалов ядерных реакторов под влиянием интенсивного облучения называют радиационными повреждением. Главными радиационными эффектами, протекающими в материалах ядерных реакторов в результате взаимодействия с основными частицами излучения, являются ионизация и атомные смещения (см. табл. 4.2). Ионизация в металлах быстро релаксирует. Атомные смещения, созданные, например, нейтронами, остаются в качестве повреждения. Поскольку нейтрон не имеет заряда, он создает радиационное повреждение только при взаимодействии с ядрами материалов ядерных реакторов. Быстрый нейтрон может передать энергию и импульс ядрам, с которыми он взаимодействует, при этом соударявшиеся с ним ядра смещаются из своих регулярных положений в кристалле (см. § 4.2). При облучении нейтронами изменяются свойства материалов и существенно снижаются эксплуатационные характеристики и срок службы материалов ядерных реакторов.
Существует несколько типов радиационных дефектов, создаваемых интенсивным ядерным излучением, в частности при облучении быстрыми нейтронами.

  1. Вакансии. Образование вакансионных мест в кристаллической решетке происходит в результате столкновений между быстрыми нейтронами и ядрами или атомами. Энергия, передаваемая быстрым нейтроном ядру, обычно так велика, что каждое первичное соударение приводит к выбиванию атома и последующему каскаду столкновений с образованием вакансий.
  2. Междоузельные атомы — это атомы, смещенные при соударениях в междоузельные или нерегулярные неравновесные положения и не рекомбинировавшие с ближайшими вакансиями.
  3. Примесные атомы — образуются при ядерных превращениях в результате соударений падающих нейтронов с регулярными ядрами материалов ядерных реакторов. Продукты деления, такие как Mo, Zr и Ru (или смесь продуктов деления), образованные в ядерных реакциях деления, являются примесными элементами в ядерных топливах.
  4. Ионизация и возбуждение электронов. Нейтроны и гамма-излучение при их прохождении через вещество могут создавать местную ионизацию и возбуждение электронов, которые могут сообщить ядрам или атомам добавочную колебательную энергию.
  5. Температурные или тепловые пики. Атомы в этом случае имеют по сравнению с их обычном состоянием высокие энергии колебаний. Область, в которой большое число атомов вовлечено в сильно возбужденное колебательное состояние, называется температурным пиком. Бели колебательное возбуждение относительно невелико, так что в нем участвует лишь небольшое число атомов, или если регулярные положения покинули мало атомов, это слабое колебательное возбуждение называют тепловым пиком.
  6. Пик смещения. Представление о пике смещения основано на модели атомных смещений, в которой первично выбитые атомы создают последующие каскады столкновения и достаточно большое колебательное возбуждение позволяет сразу многим атомам покинуть их места в решетке и передвигаться в области пика смещения. Обычно в этой области имеется много вакансий, междоузельных атомов и других нарушений кристаллической решетки.
  7. Замещающие соударения. После соударения движущегося междоузепьного атома с регулярным атомом налетающий атом падает в вакансионное положение и там диссипирует избыточную энергию в виде колебаний решетки. Происшедший в результате этого соударения и замещения обмен движущегося междоузельного атома с атомом в регулярном положении называют замещающим соударением.

Первые три дефекта принято считать основными дефектами кристаллического строения, возникающими при облучении материалов ядерных реакторов нейтронами (см. § 4.2). Последние четыре представляют собой скопления кристаллических дефектов. Результаты экспериментов, проведенных на материалах после облучения, подтверждают феноменологическую картину кристаллических дефектов при радиационном повреждении материалов нейтронами.

ВОЗМОЖНЫЕ МОДЕЛИ МЕХАНИЗМОВ РАДИАЦИОННОГО ПОВРЕЖДЕНИЯ

В результате облучения материалов ядерных реакторов быстрыми нейтронами возникают локализованные дефекты решетки, т.е. нарушения ее кристаллической структуры. Для объяснения радиационного повреждения различных металлов были предложены многочисленные модели и теории. Среди них есть несколько моделей первичных процессов радиационного повреждения.

  1. Модель атомных смещений. В этой модели выбитый атом смещается из своего равновесного положения или меняет регулярное положение в решетке в результате первичного и вторичного соударений между быстрыми нейтронами (или тяжелыми частицами) и атомами. Энергия, передаваемая нейтроном атому при упругом соударении, может значительно превосходить значение, необходимое для смещения атома в материале атомного реактора. Например, для смещения атома в кристаллической решетке металла нужна энергия около 25 эВ, а для смещения атома в полупроводнике (германий или кремний) требуется около 12—15 эВ (см. § 4.6, 4.7). Во многих случаях кинетическая энергия, переданная смещенным атомам, так велика, что они производят в свою очередь вторичные выбитые атомы при упругих столкновениях с ними. Наконец, междоузельные атомы останавливаются в междоузельных положениях и вместе с вакансиями образуют пик смещения.
  2. Модель температурного или теплового пика. Осколок деления обычно растрачивает всю свою энергию, а быстрый нейтрон теряет большую долю энергии за счет упругих взаимодействий в очень малой области материала. В этой области в результате быстрого локального разогрева (из-за диссипации в ней энергии) и быстрого охлаждения (из-за быстрого рассеяния тепла и диффузии) смещенные атомы образуют температурный или тепловой пик в зависимости от числа атомов с повышенным колебательным возбуждением (см. § 4.4). Установлено, что область пика может содержать 500-10 000 атомов и иметь температуру 700-1200 °С в течение короткого периода времени — около 10-10 с.
  3. Модель пика смещения. Область, в которой после диссипации кинетической энергии останавливается в междоузельных положениях очень большое число смещенных атомов и вакансий, составляет пик смещения. Модель пика смещения тесно связана с моделью атомных смещений.
  4. Модель замещающих соударений. Эта модель уже описана при обсуждении эффектов, обусловленных нейтронным облучением.

Несмотря на то что модели атомных смещений, температурного (теплового) пика, пика смещения и замещающих соударений для объяснения радиационных эффектов были рассмотрены независимо, процессы их образования могут происходить одновременно или друг за другом. Взаимодействие или наложение механизмов атомных смещений и температурных (тепловых) пиков, пиков смещения и замещающих столкновений затрудняет количественную оценку относительного вклада каждого из механизмов.

ПОРОГОВАЯ ЭНЕРГИЯ СМЕЩЕНИЯ АТОМА

Для объяснения механизмов радиационного повреждения следует обратиться к выяснению пороговой энергии, необходимой для образования смещенных атомов. В [9—15] приведено ее теоретическое и экспериментальное определение. Теоретический прогноз, основанный на простых теориях атомных смещений медленными (нерелятивистскими) и быстрыми (релятивистскими) электронами, дал направление для проведения экспериментальных работ. Основные уравнения, используемые для теоретического предсказания энергии смещения Ed, можно получить, зная поперечное сечение смещения ad для облучаемого вещества и спектр падающих частиц (электронов) ит.д. [15-18].
Экспериментально пороговую энергию, необходимую для смещения атома, определяли по: 1) изменению электропроводности Ge n-типа в зависимости от энергии падающих электронов; 2) изменению времени жизни неосновных носителей тока при токе короткого замыкания гальванического элемента в зависимости от времени облучения при разных энергиях бомбардировки; 3) значению намагниченности насыщения при облучении метастабильного сплава Fe в Си во время превращения ГЦК-железа в стабильное ферромагнитное ОЦК-железо [14-18].
Таблица 4.3. Теоретические и экспериментальные значения пороговой энергии смещения

Теоретические оценки и экспериментальные значения пороговых энергий для Ge, Si, Си и Fe—Си приведены в табл. 4.3.
Из табл. 4.3 видно, что теоретические и экспериментальные значения пороговых энергий смещения составляют 12—30 эВ. Пороговая энергия зависит не только от типа материала, но и от кристаллического направления [19]. При практических оценках радиационных эффектов в материалах ядерных реакторов считают, что для того, чтобы регулярный атом в твердом теле окончательно покинул свое место, ему нужно передать энергию Ed 25 эВ.

ВЛИЯНИЕ ОБЛУЧЕНИЯ НА ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ

Все основные изменения свойств материалов под действием облучения можно разделить на: 1) структурные и механические, связанные с локальной деформацией; 2) электрические и физические, связанные, главным образом, с захватом заряда (дырки и электроны в полупроводниковых материалах) дефектами решетки. Кроме того, под действием облучения изменяются также тепловые свойства и контролируемые диффузией кинетические процессы.
Изменения свойств, вызванные облучением, обычно связаны друг с другом и происходят одновременно. При росте твердости, например, обычно растет передел текучести, предел прочности и модули упругости, а пластичность падает. Рост скорости диффузии и количества примесей приводят к понижению электропроводности. Температурные смещения фазовых равновесий и рост критической температуры вязко-хрупкого перехода представляют значительный интерес для прогноза влияния облучения на материалы оболочек топлива и сосудов высокого давления. В общем случае результат наложения изменений структурных, механических, электрических, физических, тепловых и контролируемых диффузий кинетических свойств является весьма сложным.

ПАРАМЕТРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ЭФФЕКТЫ РАДИАЦИОННОГО ПОВРЕЖДЕНИЯ

Хотя с помощью отжига при повышенной температуре часть созданных облучением дефектов, обусловливающих радиационное повреждение, можно устранить, основная часть радиационного повреждения материала тяжелыми частицами (быстрыми нейтронами, протонами, а-частицами) остается. На радиационное повреждение, изменение свойств ядерных материалов оказывают существенное влияние плотность потока излучения; энергия частиц или их энергетический спектр; время и температура облучения. Это основные параметры, определяющие интенсивность влияния облучения на изменение свойств, в частности, материалов ядерных реакторов.

Итак, интенсивность влияния облучения на свойства зависит в первую очередь от плотности потока частиц, их энергии или энергетического спектра, времени и температуры облучения. Изменения некоторых важных свойств материалов ядерных реакторов при облучении или во время работы могут оказать большое влияние на конструкцию, работу и рабочие характеристики ядерных (энергетических) реакторов, и это следует учитывать при проектировании реакторов.



 
« Магнитный фильтр-сепаратор в схеме очистки производственного конденсата   Метод определения параметров тепловой изоляции паротурбинных блоков ТЭС »
электрические сети