Материалы специального машиностроения

В процессе разработки материалов для реакторов деления, работающих на тепловых нейтронах при умеренных температурах, и оценки их работоспособности учитывался опыт создания корпусных сталей. Основное внимание при этом уделялось вопросам вязкости и пластичности сталей и температурным условиям их вязко-хрупкого перехода.

При рекомендации материалов для реакторов, работающих на быстрых нейтронах при высоких температурах, исходят преимущественно из опыта создания сталей и сплавов для авиационных двигателей и энергетических установок тепловых электростанций. Такой подход в основном оказался правильным, хотя имелись и просчеты. В меньшей мере они обнаружились в тепловых реакторах. Так, недостаточное понимание явления радиационного охрупчивания перлитных сталей в настоящее время в мировой практике компенсируется эксплуатацией реакторов не в оптимальном режиме, принятием мер по снижению нейтронного потока на стенки корпуса, что приводит к нерациональному использованию объема активной зоны, а также к применению дорогостоящих систем инспекции состояния корпуса реактора.

Интенсивность потока быстрых нейтронов в реакторах- размножителях может достигать 1 • 1016
нейтр/(см2 • с), что примерно на три порядка выше, чем в тепловых реакторах. Высокие значения нейтронных потоков и флюенса в быстрых реакторах создают для реакторного материаловедения новые, чрезвычайно сложные проблемы — высокотемпературное охрупчивание, радиационное распухание, радиационную ползучесть и др.

Несмотря на то что при разработке термоядерных реакторов может быть широко использован опыт работы с ядерными реакторами, проблема выбора материалов стоит еще более остро. Это обусловлено, прежде всего, особенностями передачи энергии ядерных реакций. Известно, что около 88 % всей энергии деления выделяется в топливе в виде кинетической энергии осколков деления (А и Б) и энергии (3-излучения и только примерно 12 % выносится у-излучением (9,4 %) и нейтронами (2,5 %) за пределы топлива. Эта энергия поглощается конструкционными материалами.

Отмеченные особенности позволяют конструктору реактора деления ориентироваться в подборе материалов соответственно их назначению. В реакциях же термоядерного синтеза около 80 % энергии уносится высокоэнергетическими (14,1 МэВ) нейтронами. Поэтому объемные повреждения материалов при том же интегральном потоке нейтронов будут более значительными. Кроме того, под действием нейтронов с энергией 14,1 МэВ в материалах будут возникать «энергичные» первично выбитые атомы, а следовательно, будут появляться большие количества смещенных атомов и возникать большие повреждения, чем в реакторах на быстрых нейтронах. Образующиеся при этих реакциях гелий и водород будут усугублять вредное влияние нейтронного облучения на материалы.

Значительная часть энергии реакции синтеза (20 %) выделяется а-частицами (энергия частиц 3,5 МэВ), ионами изотопов водорода, атомами и молекулами этих газов, а также электромагнитным излучением различной энергии в обращенных к плазме поверхностных слоях первой стенки реактора. Это приводит к интенсивной эрозии поверхности, называемой «шелушением» и обусловленной образованием и разрушением приповерхностных газовых пузырей, а также катодным распылением, протеканием химических реакций и т. п. Корпускулярные потоки дейтерия (D) и трития (Т), имеющие энергию 10 кэВ, не могут приводить к объемным изменениям в материале, поскольку их пробеги составляют 100 нм. Но эти частицы вносят существенный вклад в развитие поверхностных и тепловых явлений в материале.

В целом реакторы синтеза характеризуются более широкой гаммой используемых конструкционных материалов, чем реакторы деления. Не исключается, что выбор материалов для основных узлов термоядерных реакторов будет основываться на компромиссных решениях, поскольку необходимо учесть большое число механических, физических, ядерных и других требований.

Из изложенного следует, что конструкционные материалы основных узлов реакторов на быстрых нейтронах и термоядерных реакторов работают в весьма сложных условиях. Изменение физико-механических и других свойств конструкционных материалов в процессе облучения в значительной мере определяется характером взаимодействия дислокационной структуры со сложными комплексами радиационных дефектов. В условиях нейтронного облучения вследствие избытка атомных дефектов и нарушений в кристаллической решетке ускоряются диффузионные процессы и, как следствие, ускоряются зарождение и обособление избыточных карбидных, интерметаллидных и других фаз. Таким образом, процессы образования радиационных дефектов, а также процессы их аннигиляции значительно зависят не только от условий облучения, но и от структурного состояния материала на различных этапах распада твердого раствора при температурно-временных и температурно-деформационных циклах.

Комментариев нет »

Комментариев нет.

RSS-лента комментариев к данной записи. TrackBack URI

Оставить комментарий