Радиационная стойкость

Ядерная энергетика предъявляет повышенные требования к использу- емым конструкционным материалам, технологии их производства и контро- лю работоспособности. Конструкционные материалы под действием облуче- ния испытывают структурные превращения, оказывающие отрицательное влияние в первую очередь на механические свойства и коррозионную стой- кость.

Радиационная стойкость – способность материала сохранять в опреде- ленных допустимых пределах размеры, структуру и свойства при длительном воздействии радиационных излучений.

Из всех видов облучения (нейтроны, - и -частицы, -излучение) наиболее сильное влияние оказывает нейтронное облучение. Наиболее суще- ственно облучение нейтронами, особенно быстрыми. В результате взаимо- действия с нейтронами изменяются структура и механические свойства мате-

42

риалов. Нейтронное облучение увеличивает разупорядочение структуры, ускоряет процесс распада твердого раствора.

При столкновении нейтронов, обладающих энергией 2 МэВ, с кристал- лической решеткой металла время уменьшения энергии нейтрона до 100эВ менее 10-13 с, т. е. энергия торможения передается в первичных столкнове- ниях атомам решетки практически мгновенно. Атом кристаллической решет- ки, получив при взаимодействии с нейтроном значительную энергию, может быть выбит из узла решетки и перейти в межузлие. При этом образуется ва- кансия. Пара межузлий атом-вакансия устойчива в том случае, когда сме- щенный атом удаляется от вакансии на расстояние, превышающее период решетки. Смещенный атом, обладающий повышенной энергией, может, в свою очередь, вызывать смещение других атомов. При этом происходит уве- личение числа дефектов. Число смещенных атомов, приходящихся на один первично выбитый атом при облучении металла в реакторе нейтронами с энергией 1 МэВ, составляет для железа 390, для бериллия 440, для графита 900.

Возможен ряд устойчивых конфигураций смещенных атомов, ГЦК- решетке атом может разместиться в межузлии. Можно также представить, что смещенный атом вместе с одним из соседних атомов решетки образует парную комбинацию (гантель), центр которой находится в узле решетки.

Возможна комбинация, когда атомы гантели образуют цепочку с атомами, занимающими нормальное положение в решетке. Последний тип дефектов называют краудионом (см. рис. 1.12).

Повреждение кристаллической решетки быстрыми частицами можно рассматривать как результат соударения частиц или как эффект, создаваемый быстрым термическим процессом. Путь быстрой частицы в веществе можно разбить на два этапа. Первый этап (высокоэнергетический) оставляет лишь единичные дефекты – вакансии, атомы смещения. На втором этапе, когда быстрая частица уже потеряла большую часть своей энергии, длина ее пробе- га между последовательными атомными столкновениями сильно уменьшает- ся, т. е. чаще становятся ее столкновения с атомами решетки. В этом случае преобладает хаотичное движение, вносящее полный беспорядок в систему атомов. Этот беспорядок нельзя интерпретировать как появление в решетке отдельных дефектов, так как сама решетка перестает при этом существовать.

В области, окружающей место остановки быстрой частицы, температу- ра и давление высоки. Вещество в этой области находится в состоянии жид- кости или плотного газа. Это состояние вещества называют «атомная плаз- ма». После охлаждения решетка восстанавливается, но атомы занимают при этом новые позиции, происходит их новое размещение. Отсюда и название – пик смещения (клин смещения). Окружающая область пика кристаллическая решетка влияет на ориентировку кристаллизующейся области, в которой первоначальная кристаллическая структура почти полностью восстанавлива- ется. Сохраняются и винтовые дислокации. Образуются дислокационные

петли диаметром 10 -50 нм. Областью пика смещения, где происходит плав- ление с последующей кристаллизацией, считают цилиндрическую область в конце пути смещенного атома. Диаметр этой области от 2 до 4 атомных рас- стояний. Содержит она от 4 до 12 атомов решетки на каждое межатомное расстояние вдоль пути.

Если энергия, переданная частицей при облучении металла, недоста- точна, чтобы вызвать локальное расплавление металла и дать возможность атомам обменяться местами, то локальный нагрев может вызвать как бы местную термическую обработку. Такая область называется тепловым пиком (тепловым клином).

В полимерных материалах облучение может вызвать ионизацию,

«сшивание». В полупроводниках при облучении может изменяться концен- трация носителей.

Возникающие под действием облучения дефекты (вакансии, смещен- ные атомы) могут перемещаться на значительное расстояние, так как связь между ними ослабевает. При высокой температуре (высокой подвижности) такие дефекты могут свободно блуждать по кристаллической решетке. Блуж- дающий дефект может встретить полярный ему дефект и рекомбинировать с ним, выйти на границу зерна поликристалла, где может быть адсорбирован, если при этом снижается общий 50 уровень поверхностной энергии границы.

С повышением температуры дефект может вновь переместиться в тело зерна.

Возможна адсорбция дефектов на дислокациях. Последние всегда присут- ствуют в отожженных и холоднодеформированных металлах.

Основная часть дефектов, образовавшихся при облучении материалов, вызвана взаимодействием кристаллической решетки с «быстрыми» нейтро- нами. Однако электроны и γ-кванты также могут вызвать образование дефек- тов. При облучении электронами энергия отдается атомами малыми порция- ми, недостаточными для того, чтобы первично выбитый атом мог вызывать дальнейшее смещение. Таким образом, электроны могут создавать лишь одиночные дефекты. Смещение атомов в рассматриваемом случае обуслов- лено в основном упругими столкновениями с электронами.

Энергия, передаваемая атому «быстрым» электроном (Е), оценивается по зависимости:



2 0 ²



²

2E E m C MC E _{н н} 

, (1.2)

где En– начальная кинетическая энергия электрона;

m0– масса электрона;

M – масса атома;

C – скорость света.

Если энергия -кванта 1 МэВ и выше, она передается электрону по ме- ханизму комптоновского рассеяния. Комптоновское рассеяние играет основ- ную роль в интервале энергий 0,5-1,0 МэВ для элементов с. атомным номе- ром меньше 60, а в интервале от 1 до 5 МэВ оно является главным источни-

44

ком «быстрых» электронов для всех элементов периодической системы. В случае рассеяния под углом, большим 90°, энергия, передаваемая электрону

-квантом, имеет значение порядка энергии самого первичного -кванта.

Комптоновские электроны, обладающие энергией, достаточной для передачи атомам среды энергии выше 25 эВ, производят атомы смещения.

Адсорбция дефектов кристаллической решетки на дислокациях приво- дит к закреплению последних. Дефекты создают вблизи дислокаций атмо- сферы Коттрелла и снижают их подвижность.

Энергия, получаемая кристаллической решеткой при облучении. Теп- ловой импульс может распространяться в твердом теле со скоростью звука или меньше. Таким образом, за время торможения частицы с высокой энер- гией он может удалиться от места торможения на несколько межатомных расстояний. Следовательно, можно считать, что в области торможения воз- никает почти точечный тепловой источник мощностью 1-3 МэВ, который со- здает радиальный поток тепла, повышающий температуру области, непо- средственно окружающей место торможения. Так, при торможении осколка с энергией 2 МэВ в уране в течение 0,9×10^-11 с существует область объемом 2,44×10^-17 см³ с радиусом 1,8×10⁶ см, нагретая до температуры свыше 2000°C.

В пике смещения кристаллической решетки железа радиусом 0,247 нм расхо- дуется 20 кэВ.

При быстром охлаждении в рассматриваемой области кристаллической решетки может появиться неоднородное распределение плотности.

Между наибольшей энергией Е (эВ), расходуемой в пике смещения, и относительной атомной массой А существует следующая эмпирическая зави- симость:

А

E17900563 . (1.3)

Отрицательным следствием радиационных повреждений является ра- диационное упрочнение и охрупчивание, а также радиационное распухание и радиационная ползучесть, которые вызывают изменение формы и размеров облучаемых деталей.

Изменение прочностных характеристик. Изменение структуры метал- лов под действием облучения отражается на прочностных характеристиках материалов. Предел текучести начинает увеличиваться уже при облучении флюенсом нейтронов 10¹⁷ см^-2. Для ряда металлов величина предела текуче- сти пропорциональна корню кубическому из флюенса. Изменение предела прочности с дозой облучения подчиняется более сложной зависимости. Пре- дел прочности, например, в случае меди и никеля не зависит от облучения до флюенса 10¹⁹ см^-2. При больших флюенсах предел прочности имеет ту же за- висимость, что и предел текучести.

Различие в зависимостях предела текучести и предела прочности от облучения заключается в том, что при относительно малых дозах действие облучения сводится к упрочнению, а при больших дозах облучения предел

текучести приближается к пределу прочности и запас пластичности снижает- ся. При этом уменьшается и максимальное удлинение до разрыва. Металл становится более хрупким. Так, предел текучести (т(0,2)) углеродистых ста- лей после облучения флюенсом быстрых нейтронов 10²⁰ см^-2 повышается в 2-3 раза (с 450 до 1100 МПа), а удлинение () падает с 22 до 4%.

В ряде случаев при отсутствии экспериментальных данных изменение механических свойств сталей под действием облучения можно оценить, ис- пользуя зависимость Гриффитса:

L E

в 2

  

; (1.4)

где  – свободная поверхностная энергия;

Е − модуль Юнга;

L – глубина начальной краевой микротрещины.

В табл. 1.5. приведены значения предела порочности стали 20 в зави- симости от степени облучения.

Таблица 1.5. Значения предела порочности стали 20 в зависимости от степени облучения

Флюэнс нейтронов, (E>1 МэВ), 10¹⁸ см^-2

в, МПа

Расчетные данные Экспериментальные данные

1 500 500

3,16 520 550

10 550 610

100 900 850

Влияние флюенса нейтронов на механические характеристики аусте- нитной хромоникелевой нержавеющей стали показано в табл.1.6 и рис. 1.16

Таблица 1.6. Свойства аустенитной коррозионностойкой хромоникелевой ста- ли при комнатной температуре после облучения быстрыми нейтронами

Флюенс нейтронов,

см^-2

в, МПа

т, МПа

Удлинение,

%

Флюенс нейтронов,

см^-2

в, МПа

т, МПа

Удлинение,

%

t = 100 t = 300

– 675 340 53 – 550 – 40

10¹⁷ 730 380 48 3·10¹⁹ 650 27

5·10¹⁷ 720 530 45,5 6·10¹⁹ 680 21

4,3·10¹⁸ 875 710 37 10²⁰ 720 18

9·10¹⁸ 780 680 34,5 3·10²⁰ 750 14

10²⁰ 880 780 23 5·10²⁰ 770 18

46

- - - - 7·10²⁰ 790 12

Анализ данных приведенных в табл.1.6 показывают, что с возрастани- ем флюенса нейтронов относительное удлинение сталей резко снижается, а прочностные характеристики увеличиваются.

Рис.1.16. Изменение механических свойств при 20 °С аустенитной стали 12Х18Н10Т после низкотемпературного облучения нейтронами:

1 – т; 2 – 0,2; 3 –  (пластичность стали)

Сталь приобретает максимальное упрочнение при Ф = 310¹⁹ нейтр/см², причем предел текучести (0,2) растет интенсивнее предела прочности (т), что приводит к снижению способности к деформационному упрочнению.

Дальнейшее увеличение потока практически не влияет на свойства стали.

Кроме флюенса, на свойства оказывает влияние температура, при кото- рой проходит низкотемпературное облучение. Наиболее резко охрупчивание аустенитных сталей проявляется после облучения в температурном интерва- ле 250-350 °С.

Действие низкотемпературного облучения на свойства напоминает наклеп – холодную пластическую деформацию. Однако, несмотря на такую аналогию, механизмы воздействия радиационного повреждения и наклепа на структуру материала принципиально различны, поскольку радиационное по- вреждение связано преимущественно с образованием точечных дефектов, то- гда как деформационное упрочнение связано в основном с появлением ли- нейных дефектов.

Облучение аустенитной стали при температурах выше 600°С приводит к радиационному охрупчиванию. Это явление характеризуется уменьшением длительной прочности и относительного удлинения: при кратковременных испытаниях образцов на растяжение в области температур выше 600°С. Этот эффект в некоторых материалах необратим, а в некоторых обратим лишь ча- стично. Так, отжиг при температурах 1110 – 1150°С приводит к полному воз- врату свойств облученных материалов.

Эффект охрупчивания наблюдается и при высокотемпературных испы- таниях, предварительно облученных при низкой температуре образцов аустенитной нержавеющей стали. Рассматриваемый эффект иллюстрируется рис. 1.17, на котором представлены данные по длительной прочности, облу- ченной стали 08Х18Н9Т при температуре 600-700°С. Наибольший эффект высокотемпературного охрупчивания наблюдается у стареющих сталей. Так, после облучения флюенсом (1÷3)·10²⁰ см^-2 длительная прочность у старею- щей стали с 18% Сr, 28% Ni, дополнительно легированной вольфрамом при температуре испытания 700°С и времени испытания 1000ч, уменьшилась на 40%, а у стали 08Х18Н9Т только на 15%.

Рис. 1.17. Длительная прочность стали 08Х18Н9Т при различной температуре (флюенс 10²⁰ см^–2):

1 – 600° С, необлученная; 2 – 600° С, облученная при 450° С; 3 – 700°С, необлу- ченная; 4 –700° С, облученная при 450° С; 5 – 700° С, облученная при 550°С

Облучение нейтронами может повлиять и на свойства поглощающих материалов. Так, в поглощающих материалах, содержащих бор, в результате протекания ядерных реакций накапливается гелий. При высокой температуре давление гелия в микропорах возрастает, что может привести к деформации изделия вследствие газового распухания.

Высокотемпературное облучение (430-490°С) активизирует диффузи- онные процессы и способствует распаду пересыщенных твердых растворов – старению. Этим объясняется высокотемпературная хрупкость аустенитных хромоникелевых сталей. Активизацией диффузионных процессов также объ- ясняется снижение длительной прочности при облучении. Падение жаро- прочности растет с увеличением температуры и интенсивности нейтронного потока.

При высокотемпературном облучении большими нейтронными пото- ками в аустенигных сталях и сплавах на основе Ni, Ti, Mo, Zr, Be зарождают- ся и растут вакансионные поры, а более подвижные межузельные атомы ухо-

48

дят на дальние стоки (краевые дислокации, границы зерен и др.), что приво- дит к заметному увеличению объема металла – радиационному распуханию.

Объем аустенитных сталей, облученных при рабочей температуре 450°С, линейно растет с увеличением нейтронного потока. Объем может уве- личиться на 20 % и более. Распухание усиливается в результате скопления в микропорах газов, образовавшихся при облучении.

При флюенсе (2÷3)·10²³ см^–2 распухание может достигать 50-70%. Эф- фект этот связан с образованием скоплений вакансий. Межузельные атомы, образующиеся при взаимодействии нейтронов с энергией более 0,1 МэВ с кристаллической решеткой, закрепляются на дислокационных петлях. Изме- нение объема стали при 490-510°С следующим образом зависит от флюенса:

, lg 2 45 ,%

lg Ф

V

V  



 



 

(1.5) где Ф – флюенс нейтронов;

Радиационное распухание зависит и от температуры. Так, при флюенсе 7·10²² см^-2 (см. табл.1.7)

Таблица 1.7. Значения предела прочности стали 20 в зависимости от степени облучения

t, °С 360 400 425 450 475 500

V ,%

V 2,7 3,0 4,3 6,0 5,0 3,0

Легирование хромоникелевых сталей титаном, молибденом, ниобием снижает их распухание. Высокохромистые ферритные и перлитные стали с меньшей растворимостью водорода характеризуются меньшей склонностью к распуханию.

При температурах 460-560°С холодная деформация до 20% в 2-3 раза снижает распухание. При температуре 580°С положительное действие хо- лодной деформации резко снижается. С увеличением содержания Ni от 10 до 40% при флюенсе 10²³·см^–2 и температуре 620°С отношение V/V уменьша- ется от 50 до 1,2%. Дальнейшее увеличение содержания Ni влияет мало. Это дает основание полагать, что межузельные атомы закрепляются на дефектах упаковки. Ширина последних уменьшается с ростом содержания никеля от 10 до 40%.

При облучении аустенитной нержавеющей стали ионами аргона с энер- гией 70 кэВ и флюенсом 2·10¹⁷ см^-2 каждый атом в кристаллической решетке испытывает 50 смещений. Часть смещенных атомов связывается дислокаци- ями. В результате образования скопления вакансий возникают поры со сред- ним диаметром 22 нм. В 1 см³ образуется до 3·10¹⁶ пор. Относительный объ-

ем пор составляет 20-40%. С увеличением содержания Ni в стали до 45%

размер пор уменьшается до 10 нм, а пористость до 0,5%. Снижение блистер- эффекта достигается также путем предварительного ионного легирования при создании защитных покрытий.

У сталей ферритного и перлитного класса под действием облучения не только увеличивается предел текучести и снижается удлинение, но и повы- шается критическая температура хрупкости (температура хладноломкости) и уменьшается ударная вязкость. Для углеродистой стали 20 при Т>30°С удар- ная вязкость составляет 29 Дж/см². При уменьшении температуры до –30°С ударная вязкость резко снижается до значений порядка 2,9 Дж/см². Темпера- тура, при которой начинается резкое снижение ударной вязкости, т.е. наблю- дается охрупчивание стали, называется температурой (порогом) хладнолом- кости. У ферритных и перлитных сталей температура хладноломкости воз- растает с увеличением флюенса.

Зависимость температуры хладноломкости стали 20 от флюенса нейтронов можно проследить по следующим данным табл.1.8.

Таблица 1.8 Зависимость температуры хладноломкости стали 20 от флюенса нейтронов

Ф, см^-2 0 2,7·10¹⁸ 10¹⁹ 10²⁰

t, °С

– 33 25 70 90

В результате облучения флюенсом 10²⁰ см^–2 эти стали становятся хлад- ноломкими уже при температуре выше комнатной. Это обстоятельство необ- ходимо принимать во внимание при оценке ресурса корпуса реактора, изго- товленного из стали перлитного класса.

Воздействие облучения на полимерные материалы приводит к разрыву полимерных цепочек. Смещение обрывков цепей и свободных радикалов из- меняет свойства полимеров и способствует их разрушению.

Примеры изменения свойств некоторых материалов под действием нейтронного облучения приведены в табл. 1.9.

Таблица 1.9. Воздействие нейтронного облучения на различные материалы Интегральный поток

быстрых нейтронов, нейтр/см2

Материал Воздействие облучения 10¹⁴ - 10¹⁵ Политетрафторэтилен, по-

лиметилметакрилат и цел- люлозы

Снижение прочности при растя- жении

10¹⁶

Каучук Снижение эластичности

10¹⁷ Органические жидкости Газовыделение

10¹⁸- 10¹⁹ Металлы Заметный рост предела текучести

50 Полистирол Снижение прочности при растя-

жении

10²⁰

Керамические материалы Уменьшение теплопроводности, плотности, кристалличности Все пластмассы

Непригодны для использования в качестве конструкционного мате- риала

Углеродистые стали

Значительное снижение пластич- ности, удвоение предела текуче- сти, повышение температуры пе- рехода от вязкого разрушения к хрупкому

10²⁰- 10²¹ Коррозионностойкие стали Трехкратное увеличение предела текучести

10²¹ Алюминиевые сплавы Снижение пластичности без пол- ного охрупчивания

Радиационная стойкость количественно характеризуется максималь- ным значением поглощенной дозы (Грей), при которой материал становится непригодным для конкретных условий применения.

Радиационная стойкость конструкционной стали имеет значение около 510⁷ Гр.

Предварительная радиационно-термическая обработка – облучение и отжиг – позволяет увеличить радиационную стойкость материалов в 10-15 раз.

При исследовании металлов на радиационную стойкость наиболее чув- ствительным является метод измерения электросопротивления, т.к. их элек- трическое сопротивление возрастает за счет образования радиационных де- фектов.

In document Электронный учебно-методический комплекс по учебной дисциплине «Конструкционные материалы АЭС» для специальности 1-43 01 08 «Паротурбинные установки атомных электрических станций» (бет 41-50)