Радиационная стойкость конструкционных материалов

Тип установки	Вид материала	Эффект
Реакторы на тепловых нейтронах	Стали перлитного класса	Низкотемпературное радиационное охрупчивание (НТРО)
Реакторы на быстрых нейтронах	Стали перлитного и феррито-мартенситного классов	НТРО, ВТРО (высокотемпературное), вакансионное распухание, радиационная ползучесть
Установки термоядерного синтеза	Стали перлитного и феррито-мартенситного классов, ванадиевые сплавы	НТРО, ВТРО вакансионное распухание, радиационная ползучесть, блисеринг, флэкинг, распыление

Н а рисунке:  – твёрдость,  – относительное удлинение, – предел прочности, – предел текучести.

Причиной такой картины служат различные явления, препятствующий движению дислокаций: образование атмосферы Катрелла, выделение вторых фаз и т.п.

ВТРО заключается в том, что предел прочности падает быстрее, чем в отсутствие радиационного поля (усталость проходит быстрее). Этот эффект зависит от содержания легирующих элементов в сталях, например, в сталях Х18Н10Т и Х18Н9 эффект менее заметен, в то время как в ХН77ТЮР – более.

Согласно теории, этот эффект есть результат явлений, происходящих на границах зерён. Есть два варианта:

1. Гелиевая модель: при взаимодействиях с материалом образуются атомы He, а на поверхности зёрен – поры, которые и уменьшают прочность.

2. Распад твёрдого раствора: на границах появляются выделения второй фазы.

При исследовании материала, долго работавшем в радиационном поле выяснилось, что в нём образовалось множество мелких пустот. Это группировки вакансий, образовавшихся в металле. Увеличение объёма при этом достигало 70%. Межузельные атомы, образующиеся вместе с вакансиями, стекают на дислокации.

Способы подавления распухания:

1. Малые добавки Ti, Si, P, B (пример: Х16Н15М3Р).

2. Добавки Ni (инвар).

3. Деформация материала.

4. Замена стали перлитного и аустенитного классов на стали феррито-мартенситного класса.

Также при облучении существенно увеличивается ползучесть.

Совместимость реакторных материалов

Коэффициент диффузии одного материала в другой , где – частота колебаний атомов в решётке, a – порядок решётки. Наиболее вероятный механизм диффузии – вакансионный: когда происходит перемещение атомов одного вещества по вакансиям другого. Сами вакансии при этом перемещаются в первое вещество.

Виды нежелательных взаимодействий:

1. Образование интерметаллидов. Например, при контакте алюминия и урана образуются UAl₂, UAl₃ (тонкие прочные плёнки) и UAl₄ (плёнка, которая может рассыпаться в порошок). Для борьбы с последним видом интерметаллидов на поверхность алюминия накладываются специальные промежуточные элементы, например, никель.

2. Образование эвтектики с температурой плавления на уровне рабочей температуры.

Требования к конструкционным материалам активных зон:

1. Хорошие ядерные свойства: минимальное сечение захвата нейтронов.

2. Механическая надёжность, постоянство форм и размеров. Например, при эксплуатации стали аустенитного класса сильно повышается температура хрупко-вязкого разрушения, появляется распухание, ползучесть, радиационный рост (анизотропное изменение размеров), ухудшается жаропрочность.

3. Тепловые свойства: высокая теплопроводность, низкая теплоёмкость. Чем хуже количество компонентов в материале, тем хуже его тепловые свойства. Кроме этого, нужен малый коэффициент температурного расширения, мало отличающийся от коэффициента температурного расширения топлива.

4. Высокая коррозионная и эрозионная стойкость.

5. Совместимость с ядерным топливом.

6. Минимальная наведённая радиоактивность.

7. Хорошие технологические свойства: деформируемость, свариваемость, литейные свойства, возможность изготовления тонкостенных деталей.