Конструкционные реакторные материалы и основные эффекты взаимодействия излучений с ними

ЛЕКЦИЯ 7

Ключевые даты

1992 г., февраль - США и Россия подписали Кэмпдэвидскую декларацию о прекращении состояния «холодной войны».

1994 г., июнь - присоединение России к программе НАТО «Партнерство во имя мира».

2000 г., июнь принятие Концепции внешней политики России.

2000 г., 11 сентября - налет террористов на Мировой Торговый центр в Нью-Йорке.

2002 г., октябрь - захват террористами театрального центра в Москве.

2002 г., ноябрь - встреча В.В. Путина и Дж. Буша.

[1] ГКО - государственные краткосрочные обязательства.

[2] Удержание Центробанком курса доллара в течении длительного времени в определенных пределах с незначительными колебаниями.

[3] Профиль. №43. 18 ноября 2002. С.58.

Основными конструкционными материалами реакторов являются металлы.

Поэтому рассмотрим действие излучения на металлы. В узлах металлической решетки находятся атомы, а их валентные электроны принадлежат не какому-то определенному атому, а находятся в частично заполненной зоне проводимости. Взаимодействие излучения с металлом может вызывать переход связанных электронов в зону проводимости. При снятии возбуждения электроны возвращаются на первоначальные энергетические уровни, что приводит лишь к незначительному увеличению температуры металла.

Облучение γ-квантами и электронами слабо влияет на свойства металла. Но тяжелые частицы вызывают более серьезные повреждения, связанные с выбивани6м атомов из кристаллической решетки. Если переданная атому мишени энергия T превышает некоторое пороговое значение Е_см (энергия смещения атома из узла решетки, зависящая от природы твердого тела), то атом покидает узел решетки и может в дальнейшем сам выбивать другие атомы из равновесного положения. Число смещений (n _см) зависит от количества энергии, передаваемой при каждом столкновении атому отдачи (мишени), и энергии, необходимой для выбивания этого атома из решетки. Энергия смещения для большинства металлов равна 10÷30 эВ. Считается (согласно правилу Кинчина-Пиза):

(1)

Максимальную передаваемую энергию можно рассчитать, исходя из предположения чисто упругого взаимодействия между твердыми шарами. Так для нейтрона деления с энергией 1,5 Мэв Т _мах равна 425 кэВ в углероде, 104 кэВ в железе и 25 кэВ в уране. Приняв энергию смещения Е _см ≈ 25 эВ, можно подсчитать, что указанный нейтрон в этих материалах вызовет 8500, 2000 и 500 смещений соответственно (если исключить ядерные реакции). На практике число смещений несколько меньше, и при больших значенияхпереданной энергии Т оно может составить ⅓ от рассчитанных величин.

Смещения атомов вызывают изменения свойств металла. Возрастают объём, твердость, электрическое сопротивление и предел прочности на разрыв и соответственно уменьшаются плотность и упругость. Например, после облучения нейтронами с интегральным потоком 6·10²⁰ электрическое сопротивление меди возрастает на 9 %, а упругость углеродистой стали снижается на 50 % после облучения нейтронами с энергией 1 МэВ и потоком 5·10¹⁹ .

Под действием нейтронного облучения происходит искажение кристаллической решетки материала, в результате чего материал теряет пластичность и приобретает хрупкость. Под воздействием радиации в материале идут диффузионные процессы (в обычных условиях такие процессы имеют значение лишь при температуре на 200 °С и выше). И это тоже приводит к потере пластичности. И если изменения кристаллической решетки остановить невозможно, то с диффузией можно бороться, изменяя состав стали. В стали 15Х2МФA-A (Государственная премия 2013 г.), благодаря высокой степени очистки от примесей, диффузионные процессы минимизированы.

Состав уникальной стали скрыт в ее названии: 15Х2МФA-A: 15 означает, что содержание углерода не превышает 0,15 %; Х2 – больше 2 % хрома, точнее 2,5 %; М – до 1 % молибдена; Ф – до 0,35 % ванадия, две А – особо чистая по примесям. Примеси (в стали это обычно фосфор и медь) как раз больше всех диффундируют, поэтому суперочистка – непременное условие для материала. В стали 15Х2МФA-A фосфора 0,005 % (в 10 раз меньше, чем в обычных сталях) и 0,15 % меди.

Обычная нержавеющая сталь (содержащая 18 % Cr и 8 % Ni) также становится при облучении хрупкой вследствие образования микроскопических гелиевых пузырьков в результате реакции (n,α) не только в ⁵⁴Fe, но и примесях легких элементов (N, B и др.).

Это явление еще более ярко проявляется в металлическом уране в реакторах вследствие образования других газообразных продуктов деления. В результате такого радиационного эффекта металлический уран невозможно использовать в современных ЯЭУ, в которых достигаются высокие дозы излучения. Поэтому топливо изготавливают из неметаллических соединений урана.

Вернемся к смещению атомов. Смещенные атомы могут возвратиться на свои первоначальные места в решетке вследствие диффузии, если не попадут в потенциальную энергетическую яму, для освобождения из которой требуется некоторая энергия активации. Такую энергию можно обеспечить нагреванием, облучением электронами или γ‑квантами, т.к. эти воздействия не вызывают новых смещений. Такое «залечивание» дефектов называют «отжигом». Скорость теплового отжига возрастает с ростом температуры, а скорость радиационного отжига – с ростом дозы облучения. Для достижения заметного эффекта обычно требуются дозы порядка десятков кГр.

В реакторах-размножителях на быстрых нейтронах суммарный поток нейтронов намного больше, чем в тепловых реакторах, а их энергетический спектр смещен в область высоких энергий. Поэтому в быстрых реакторах повреждения, связанные со смещением атомов, намного значительнее. Это обстоятельство является серьёзной технической проблемой, которая тормозит разработку реакторов-размножителей на быстрых нейтронах.

В термоядерных реакторах энергия нейтронов, испускаемых в реакции T-D, равна 14 МэВ и, как полагают, потоки нейтронов существенно превысят потоки в быстрых реакторах.

Поэтому поиск новых радиационно устойчивых конструкционных материалов для осуществления контролируемой термоядерной реакции в термоядерных энергетических установках является неотложной задачей.

Дата добавления: 2014-11-16