Содержание материала

ВЛИЯНИЕ ОБЛУЧЕНИЯ НА МАТЕРИАЛЫ ПЕРВОЙ СТЕНКИ

В результате облучения первой стенки термоядерного реактора ее материал будет испытывать явления радиационного распухания и радиационной ползучести [28-30]. Радиационное распухание есть размерная
(объемная) неустойчивость материала, обусловленная возникновением в нем пустот (пор), газонаполненных пузырей и скоплением инертных газов, в основном гелия. Быстрые нейтроны, возникающие при реакции D—Т [см. (15.17)], могут инициировать реакции (и, а), (л, л'о') и (л, 2л') на ядрах элементов материала первой стенки. Например, возможны реакции 58Ni(n, y) 59 Ni(n, a)S6Fe, 50Cr(n, y) 51Cr(n, a)4*Ti, 55Fe(n, y)S6Fe(n, a)S3Cr и т. п. В результате нейтронного облучения в материале возникают продукты ядерных реакций, образуется гелий, протекают диффузионные процессы. В кристалле образуются дефекты, поры, скопления газа и пузырей, наблюдается радиационное распухание. В поле интенсивного излучения под действием температурных условий и нейтронного облучения наблюдается явление радиационной ползучести. Ядерное излучение, являющееся причиной радиационной ползучести, приводит к радиационному упрочнению и охрупчиванию, при которых твердость и механическая прочность растут, уменьшается пластичность, и к образованию ядерных трансмутантов и гелия за счет распада трития, которые, диффундируя в материале первой стенки, способствуют ее ускоренному формоизменению. При этом скорость ползучести растет. Эксперимент подтверждает, что скорость ползучести увеличивается при радиационном распухании*. Таким образом, взаимодействие ползучести и распухания усложняет процессы, протекающие в материале первой стенки.

* О связи радиационной ползучести и распухания см. работу Garner E. A., J. Nuci. Mater. 1985, vol. 133-134, р. 113. - Прим. пер.

На рис. 15.22 показаны результаты облучения холоднообработанной нержавеющей стали 316 быстрыми нейтронами. Хотя разные образцы были изготовлены и испытаны в разных лабораториях, температуры облучения, при которых наблюдается максимальное распухание, довольно близки. Сами изменения объема материала также близки.
Были проведены эксперименты, направленные на подавление радиационного распухания конструкционных материалов с помощью легирования такими элементами, как С, Si, N, Р, Мо и т. п. Поскольку Ni и Cr являются основными составляющими нержавеющих сталей, никелевых и специальных сплавов, были проведены эксперименты (рис. 15.23) по подавлению радиационного распухания высокочистых никеля и хрома добавлением в раствор углерода. Интервал температур облучения (0,3 — 0,5) Тпп в исследовательском реакторе выбран с учетом температурной зависимости растворимости углерода в никеле и хроме для получения более точных результатов. На рис. 15.24 показаны аналогичные кривые подавления радиационного распухания холодно- обработанной стали 316 при различных содержаниях углерода для трех температурных областей облучения: 400-450, 480-530 и 550-600 °С.


Рис. 15.22. Радиационное распухание холоднодеформированной нержавеющей стали 316 при облучении быстрыми нейтронами:
1 —  (8-9)-1022 нейтр./см2 (США); 2 —  8• 1022 нейтр./см2 (Великобритания); 3- 8-1022 ейтр./см2 (Франция)
Рис. 15.23. Зависимость радиационного распухания высокочистых никеля (1) при 710 °С и флюенсе 9-1019 нейтр./см2 (£>0,1 МэВ) и хрома (2) при 650 С и флюенсе 2-102” нейтр./см2 (£ > 0,1 МэВ) от массового содержания углерода в твердом растворе

Рис. 15.24. Зависимость радиационного распухания нержавеющей стали 316 при флюенсе 2,65* 1032 нейтр./см2 (£ > 0,1 МэВ) от массового содержания углерода при различных температурах:
1 —  400-450 °С; 2 —  480-530 °С; 3 —  550-600 °С
Рис. 15.25. Зависимость полного удлинения сплава И — 15 V - 5Cr без гелия (7) и с 2,5'10~э% Не (2) от температуры испытания до и после облучения до флюенса 5,5 • 1022 нейтр./см2 (£>0,1 МэВ)

Из рисунка можно сделать вывод, что эффективность подавления радиационного распухания зависит в определенной мере от температуры облучения и содержания углерода в растворе. Полного подавления образования пор и радиационного распухания не удалось достигнуть ни для высокочистых хрома и никеля, ни для нержавеющей стали*.

* Феноменология распухания описана в работе Wotfer W. G., J. NucL Mater., 1984, voL 122-123, p. 367 - 378; Распухание аустенитных нержавеющих сталей - Bramman J. I. Dim ens. Stab, and Mech. Behav. brad. Metals and Alloys. Pioc. Conf. Brighton, 11-13 Apr., 1983, vol. 2. London, 1984. P. 35-39. -Прим. пер.

На рис. 15.25 показано полное удлинение до разрушения при установившейся ползучести облученных и не облученных цилиндрических образцов сплава Ti-15V-5Cr для первой стенки при наличии гелия и без него в зависимости от температуры испытания. Видно, что пластичность титанового сплава уменьшается с облучением и содержанием гелия, являющегося одной из причин радиационного распухания и гелиевого охрупчивания.
Связь между напряжением и скоростью ползучести облученной и необлученной нержавеющей стали 316 при разных температурах облучения (600 и 650 °С) и разных флюенсах быстрых нейтронов (5 • 1021 и 8 X 1021) показана на рис. 15.26. Облученные образцы характеризуются относительно высокими напряжениями ползучести, короткими временами до разрушения, быстрым установлением минимальной скорости ползучести, обусловленными соответственно влиянием образования гелия, радиационным распуханием и снижением пластичности (радиационным упрочнением).

15.16. ПРЕДПОЛАГАЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ ПЕРВОЙ СТЕНКИ, ЕЕ ГЕОМЕТРИЯ И УСЛОВИЯ РАБОТЫ

Ниже перечислены условия работы материалов первой стенки в D—Т-реакторе.

  1. Плотность потока быстрых нейтронов 5 • 1014 —  5 • 1015, плотность потоков ионов (изотопы водорода, гелий) 5 • 1014 —5 • 1015 см-2 X  с-1
  2. Плотность потока энергии ядерного излучения2, проходящего через первую стенку, 1-10 МВт/м2.
  3. Рабочая температура первой стенки определяется конструкцией ТЯР и материалом.
  4. Высокий вакуум (до 10+6 Па) в вакуумной камере.
  5. Радиационное распыление, блистеринг и эрозия поверхности первой стенки, приводящие к загрязнению плазмы и уменьшению толщины первой стенки.
  6. Ядерные превращения, образование радионуклидов, гелия, проникновение трития через стенку, радиоактивный распад, тепло радиоактивного распада.

Большинство концептуальных проектов ТЯР рассчитаны на нейтронную нагрузку 1-5 МВт/м . Нейтронная нагрузка - мощность, выносимая нейтронами с энергией 14 МэВ через единицу поверхности первой стенки. - Прим. пер.
При нейтронной нагрузке (см. ниже) 1 МВт/м2 плотность потока ионов составляет около 3 • 10+6 см-2 —  с-1. - Прим. пер.

  1. Тепловое расширение, тепловые удары, термоциклирование (особенно с большим периодом), усталость и растрескивание.
  2. Радиационное распухание, гелиевое охрупчивание.
  3. Радиационная ползучесть, рост предела текучести и прочности, уменьшение пластичности при радиационном упрочнении и наработке изотопов — примесей.
  4. Усиленное окисление и радиационная коррозия в условиях интенсивного облучения, приводящие к усталостному растрескиванию и коррозии под напряжением внутренней и внешней поверхности первой стенки.

Наиболее вероятная геометрия первой стенки ТЯР аналогична геометрии сегодняшних лабораторных плазменных экспериментальных установок: круговой тор (замкнутая система реактора); линейный круговой цилиндр (открытая система реактора); комбинация кругового тора и линейного цилиндра (рейстрек), составной тор; некруговой тороидальный цилиндр, линейный или составной. Внутренний диаметр (2-6 м) и толщина (1-3 см) первой стенки зависят главным образом от размера реактора, материала стенки, способа снятия тепла, материалов теплоносителя и воспроизводящего материала (жидкий литий, расплавы солей и т. д.).
Выбор наиболее вероятного материала первой стенки ТЯР среди кандидатных конструкционных материалов (см. § 15.8) есть компромисс требований к важным ядерным, физическим, тепловым и механическим свойствам материала, к удовлетворению условий безопасности и экономики. Последние условия могут играть существенную роль при выборе материала конструкции ТЯР точно так же, как это бывает и при создании других конструкций.
Исходя из условий работы материалов первой стенки ТЯР с использованием D—Т-реакции, можно предложить следующие требования к ним:

  1. способность противостоять интенсивным потокам быстрых нейтронов и потокам ионов, падающих на первую стенку;
  2. малое сечение захвата нейтронов;
  3. низкая скорость наработки трансмутантов (в особенности гелия);
  4. низкая скорость наработки радиоактивности, малое тепловыделение за счет радиоактивного распада;
  5. малое время выделения энергии радиоактивного распада;
  6. малая интенсивность изомерных переходов и низкая энергия распада;
  7. невысокие скорости распыления, блистеринга и эрозии поверхности;
  8. низкие пропускание, растворимость и коэффициент диффузии дейтерия, трития и гелия;
  9. малые скорости радиационного распухания и ползучести;
  10. высокая температура плавления и отсутствие фазовых переходов в области рабочих температур;
  11. небольшой коэффициент теплового расширения;
  12. высокие тепло- и температуропроводность;
  13. высокая механическая прочность и пластичность;
  14. высокое сопротивление коррозии;
  15. легкость изготовления и обработки;
  16. высокая тепловая и радиационная устойчивость, стабильность работы, надежность и безопасность.
  17. доступность (распространенность) и низкая стоимость.

Таблица 15.14. Ядерные характеристики изотопов, важных для первой стенки ТЯР элементов

В табл. 15.14 для некоторых элементов, входящих в состав сплавов первой стенки D—Т ТЯР, приведены их ядерные и нейтронные характеристики. Среди этих элементов ниобий и цирконий имеют самое низкое сечение захвата нейтронов, однако для них времена полураспада и выделения энергии при распаде весьма велики. Большое время затухания радиоактивности может привести к высоким скоростям нагрева первой стенки даже по истечении значительных времен после ее работы.

Таблица 15.15. Сравнение некоторых свойств материалов первой стенки


Свойство

Nb

Мо

V

Ti

Fe-Cr-Ni-
сплав

Скорость радиационного распухания

Мала

Мала

Мала

Мала

Умеренна

Выделение тепла
радиоактивного
распада

Велико

Умеренно

W

Мало

Умеренно

Точка плавления, С

1947

2617

1490

1725

Около 1500

Теплопроводность

Велика

Велика

Велика

Велика

Умеренна

Температуропроводность

"

"

"

"

"

Тепловое расширение

Мало

Мало

Умеренно

Умеренно

Умеренно

Механическая
прочность

Умеренна

Велика

Велика

Велика

Велика

Пластичность

Низка

Умеренна

Умеренна

Умеренна

Высока

Сопротивление
коррозии

Велико

Велико

Низко

Умеренно

Велико

Скорость распыления

Мала

"

Мала

Умеренна

"

Диффузия трития и гелия

Велика

Мала

Очень
велика

Велика

Мала

 

Ниобий, молибден и ванадий с очень большой вероятностью можно использовать в качестве основных легирующих элементов материалов первой стенки или основных материалов сплава. Они характеризуются невысоким радиационным распуханием (около 2,5%) при флюенсах 3,5 • 1022 —  8,5 * 1022 нейтр./см2 (Е > 0,1 МэВ). На основании многочисленных экспериментальных данных можно сделать вывод, что максимум распухания у ниобия наблюдается около 800 °С, у молибдена - около 850-900 °С, у ванадия - около 550 °С. Исключая цирконий, ниобий имеет наилучшее сечение захвата нейтронов среди остальных кандидатных материалов. Молибден меньше всех распухает при температуре ниже 600 °С. Однако для молибдена уровень наведенной радиоактивности, накопление тепла радиоактивного распада и биологическая опасность на три-четыре порядка выше, чем для ванадия. С точки зрения легкости изготовления и обработки (в основном по механической обработке и сварке), по опыту работы, надежности, доступности и низкой стоимости нержавеющие стали или сплавы титана являются перспективными материалами.
В табл. 15.15 для сравнения приведены некоторые ядерные, физические, тепловые и механические свойства кандидатных материалов первой стенки.
Проведенный анализ показывает, что идеального материала первой стенки, удовлетворяющего всем условиям работы и требованиям конструкции ТЯР с реакцией D—Т, не существует. Следовательно, выбор материала первой стенки должен быть результатом компромисса.