Материалы ядерных энергетических установок - Отжиг радиационных повреждений, влияние облучения на свойства при низких температурах

ВЛИЯНИЕ ОБЛУЧЕНИЯ НА СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Выше было рассмотрено влияние облучения на физические, тепловые, механические и химические свойства реакторных материалов при повышенных температурах. Здесь же обсуждается влияние облучения при криогенных температурах на свойствах электрических сверхпроводников и материалов сосудов для жидкого Не и Н. Сверхпроводники, например Nb3Sn, NbTi, необходимы для получения сильных магнитных полей, способных удержать высокотемпературную плазму в энергетических реакторах управляемого термоядерного синтеза (УТС). Такие конструкционные материалы, как титановые сплавы Ti — 5% Al — 2,5% Sn и Ti-6% Al-4% V по массе, используют для работы при температурах жидкого гелия (4,2 К) и жидкого водорода (20 К) в космических аппаратах и ядерных реакторах. Сверхпроводящие материалы Nb3Sn (температура перехода около 11,8 К) и NbTi, как и указанные выше сплавы титана, освоены промышленностью. Применение сверхпроводящих систем возможно и в УТС, и в других системах преобразования энергии.

Рис. 5.42. Зависимость предела текучести сплава Ti - 5% Al —  2,5% Sn по массе обычной (сплошная кривая) и высокой (штриховая) чистоты по примесям от флюенса нейтронов. Максимальный флюенс 10+18 нейтр./см², облучение при температуре 17 К
Рис. 5.43. Зависимость предела текучести сплава Ti - 6% Al —  4% V по массе от флюенса нейтронов для отожженного (сплошная кривая) и состаренного (штриховая) состояний. Максимальный флюенс равен 10¹⁸ нейтр./см²; облучение при температуре 17 К

Например, достижимая в импульсных устройствах плотность энергии 5-10+7 Дж/м² при магнитном потоке 10 Вб/м² намного превышает возможности электростатических накопителей (конденсаторов).
Экспериментальные данные показывают, что облучение при криогенных температурах ускоряет наступление охрупчивания, повышает механическую прочность сверхпроводников и материалов криогенных сосудов [18-23]. Пороговый флюенс для материалов УТС и космической техники при криогенных температурах равен 10+7 нейтр./см². На рис. 5.42 и 5.43 показаны зависимости пределов текучести и прочности от флюенса нейтронов, чистоты по примесям, старения и отжига для сплавов Ti — 5% Al — 2,5% Sn и Ti — 6% Al — 4% V по массе соответственно [23].
Сверхпроводящие материалы могут играть важную роль в развитии термоядерной энергетики. Поэтому защита сверхпроводящих материалов магнитных систем термоядерных реакторов от нейтронного облучения является практически важной.

ОТЖИГ РАДИАЦИОННЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ

Отжигом называется процесс термической обработки для снятия остаточных напряжений и возврата пластичности холоднодеформированному (нагартованному) материалу. В последнее время процесс отжига применяется для устранения радиационных повреждений. Другими словами, отжиг может устранить последствия радиационного воздействия на физические, тепловые и механические свойства реакторных материалов, особенно топлива и конструкционных материалов.

Рис. 5.44. Влияние отжига на твердость (верхняя кривая) и электросопротивление (нижняя) облученных сплавов U-Al

Рис. 5.45. Влияние отжига на свойства облученных конструкционных материалов

Механический наклеп металлов объясняется моделью, основанной на представлении об искажениях кристаллической решетки, а радиационное повреждение — смещениями атомов из узлов решетки, термическими пиками и пиками смещений и другими моделями (см. § 4.5). И холодный наклеп, и радиационное повреждение связывают, главным образом, с несовершенствами или дефектами кристаллического строения (см. § 4.2—4.4). Поэтому отжигать можно и необлученные нагартованные металлы, и радиационно-поврежденные реакторные материалы.
Процессы при отжиге, приводящие к снятию радиационного повреждения реакторного материала, довольно сложны. Рассматриваются два типа отжига: термический отжиг и радиационный отжиг. Некоторые дефекты, вызывающие радиационную деградацию свойств материала, можно частично отжечь путем повышения температуры и длительности отжига и тем самым частично восстановить некоторые физические, тепловые и - механические свойства материала. При радиационном отжиге после достижения в процессе работы реактора уровня насыщения повреждения любое повышение температуры облучения приведет к отжигу повреждения. Отжиг радиационных дефектов в процессах возврата, рекристаллизации и роста зерен в материале также частично восстанавливает его физические, тепловые и механические свойства.
На рис. 5.44 показано влияние отжига на твердость и электросопротивление облученных уран-алюминиевых сплавов [S], а рис. 5.45 дает определенное представление о влиянии отжига на изменение основных тепловых и механических свойств сплавов в результате процессов возврата, рекристаллизации и роста зерен. Из рис. 5.44 и 5.45 видно, что частичное восстановление при отжиге некоторых физических, тепловых и механических свойств материалов желательно и возможно. Однако следует учитывать влияние радиационной ползучести и радиационного распухания (неотжигающихся эффектов облучения) на конструкцию, режим эксплуатации, эффективность и безопасность работы реакторов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Радиационное воздействие, приводящее к деградации во времени ядерных, физических, тепловых, химических и механических свойств реакторных материалов, а также другие факторы могут сильно влиять  на конструкцию, режим работы, эффективность и безопасность реактора.

Таблица 5.2. Влияние облучения на ядерные, физические, тепловые и механические свойства материалов и их применение

Таблица 5.3. Различные технологические свойства материалов, применяемых в реа кто рос троен ни и космической технике

Изменение этих свойств связывают с дефектами решетки, образующимися, главным образом, в результате бомбардировки материалов нейтронами при работе реактора. Число образующихся дефектов и их тип зависят не только от спектра и флюенса нейтронов, температуры и длительности облучения, но также и от кристаллической структуры, чистоты по примесям, легирующих элементов, вида термообработки материала и др.
В табл. 5.2 обобщены экспериментальные данные, приведенные на рис. 5.4—5.45, а в табл. 5.3 дана качественная информация по радиационному распуханию, влиянию облучения на коррозию, свойствам материалов при криогенных температурах, а также влиянию отжига.