Тема 3. Прочность, совместимость и радиационная стойкость реакторных материалов

материалы при эксплуатации подвергаются действию высоких механических нагрузок, интенсивному облучению,

эрозионному действию потоков жидкостей и газов, влиянию значительных температурных полей. Их свойства (и способность противостоять указанным факторам) во многом определяются процессами образования и отжига радиационных дефектов, взаимодействием с другими материалами, явлениями на границе раздела сред и т.д.

3.1. Радиационные дефекты в кристаллической решётке

Точечные дефекты
Вакансии и межузельные атомы.
Правило Эйринга: энергия активации какого-либо процесса (т.е. высота энергетического барьера, который надо преодолеть атому для того, чтобы осуществить этот процесс) равна 1/4 энергии связи, которую надо разорвать для того, чтобы реализовать данный процесс. Другими словами, энергия активации образования вакансии примерно равна 1/4 удельной энергии атома в решётке.

вакансии при температуре Т:
W (T)=exp (-Ev/kbT). kb - постоянная Больцмана

(8,6 х10-5 эВ/град).
Ev примерно равна ¼ средней удельной энергии кристаллической решётки (Екр=4,2 эВ), т.е. около 1 эВ.
Следовательно, концентрация вакансий (т.е. их количество в 1 см3) равна nW, где n – ядерная плотность вещества.
Отсюда концентрация вакансий Сv(300 К) в железе (n = 8,5х1022) составит 3,2х105 в см3 (проверить!).

Межузельный атом. Искажение решётки.
Линейные дефекты (дислокации: краевые, винтовые). Ядро дислокации (диаметр составляет 2-10 межатомных расстояний.

Вектор Бю́ргерса (b) — количественная характеристика, описывающая искажения кристаллической решётки вокруг дислокации. Важнейшие виды линейных дефектов — краевые и винтовые дислокации. Краевая дислокация представляет собой край «лишней» полуплоскости в решётке. Вокруг дислокаций решётка упруго искажена.

3.2. Жаропрочность и деформация материалов
3.2.1. Деформация и разрушение
Упругая деформация.

Предел текучести (упругости). Пластическая деформация. Удельная нагрузка, при которой происходит разрушение, называется пределом прочности.
сигма – напряжение;
Е- модуль Юнга;
эпсилон – деформация.



Механизмы пластической деформации: скольжение и двойникование.
При скольжении перемещаются тонкие слои кристалла (подобно листам в стопке бумаги). Плоскость скольжения.

[twinning] образование в кристалле областей с разной ориентацией кристаллической решётки,

связанное зеркальным отражением в определённой кристаллографической плоскости (плоскости двойникования).
При двойниковании происходит сдвиг определённых областей кристалла в положение, отвечающее зеркальному отражению несдвинутых областей.

трещин
Суть процесса: её зарождение, развитие (очень редко – залечивание), обычно

– рост, иногда с замедлением, катастрофическое разрушение изделия.
Элементарный акт состоит в разрыве связи между соседними атомными плоскостями. Можно определить энергию образования поверхности стенок трещины.

Жаропрочность – способность материала противостоять механическим нагрузкам при высоких температурах. Характеризуется пределом ползучести (т.е. напряжением, которое вызывает заданную скорость деформации при определённой температуре.

Ползучесть – пластическая деформация под действием постоянных и относительно небольших механических нагрузок (масштаб – в пределах единиц процентов).
Разрушение под действием знакопеременных нагрузок («усталость»).
Частота 1-10 Гц, число циклов порядка 106 – 107. Источники напряжений – пульсация жидкости в насосах.

реакторных материалов
Обычно проблемным местом является система «теплоноситель-оболочка твэла-топливо». Требование совместимости

ограничивает выбор материалов.
Химическая совместимость. Пример последствий использования карбидного топлива во влажной среде:
UC+3H2O=UO(OH)2+CH4 (* - нуждается в проверке).
Совместимость в смысле взаимной диффузии (учесть её усиление в результате облучения). Образование интерметаллических соединений и эвтектик (Fe, Mn, Ni взаимодействуют с U с Тпл около 1000К.).
Диффузия по поверхности.

3.4. Радиационная стойкость
Виды излучений в активной зоне и их спектральные
свойства (нейтроны, электроны, гамма-кванты,
альфа-частицы, осколки деления и т.д.

деления U235 по массам
Характеристики радиационных полей в активной
зоне энергетических реакторов

(приблизительно):
-плотность потока тепловых (Е=kbТ, 0,025 эВ)
нейтронов - 1013-1014 частиц/(см2 с);
плотность потока быстрых (Е>103 эВ) нейтронов -1012-1013 частиц/(см2 с);
средняя энергия гамма-квантов – 2 МэВ;
средняя мощность экспозиционной дозы гамма-излучения – 101-103 Зв/с;
средняя энергия осколков
деления – 200 МэВ.
Характеристика повреждаемости
материала – число смещений на атом
(0.01 сна – заметно, 100 сна –
катастрофическое разрушение).
Необходимо принимать во внимание
радиационный разогрев (способствует
отжигу радиационных дефектов).

осколков деления. Иодная «яма».
Процесс отравления вызывается накоплением
ксенона-135, у

которого сечение поглощения
тепловых нейтронов 2720000 барн и период
полураспада 9,2 часа.
2. Накопление Не3 в отражателе реактора ИРТ-Т.
3. Радиационное распухание аустенитных сталей в результате накопления вакансий.
4. Блистеринг (образование «пузырей» в
приповерхностной зоне, особенно актуален
для термоядерных установок).
5. Свеллинг (распухание в результате
накопления гелия).
6. Флекинг – отшелушивание поверхности.

конструкционных материалов для активной зоны ядерного реактора – очень трудоёмкая

и ответственная задача. Она лежит на стыке целого ряда дисциплин и требует проведения больших по объёму исследований и испытаний.