Бесплатно скачать, заказать диплом, курсовую, диссертацию Радиационное распукание металлов

У нас уже 176407 рефератов, курсовых и дипломных работ

Сделать закладку на сайт

Заказать диплом, курсовую, диссертацию

Быстрый переход к готовым работам

Мнение посетителей:

Книга жалоб
и предложений

Название	Радиационное распукание металлов

Количество страниц	125

ВУЗ	МГИУ

Год сдачи	2010

Бесплатно Скачать	23260.doc

Содержание	Содержание ВВЕДЕНИЕ 4 Глава 1. РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ЯДЕРНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК 10 1.1. Проблема радиационного распухания 11 1.2. Основные типы радиационных пор, механизмы и закономерности их формирования 17 1.3. Влияние различных структурных факторов на радиационное распухание 26 1.4. Теоретические подходы к описанию распухания 34 1.5. Механизм диффузионно-деформационной неустойчивости 40 1.6. Постановка задачи 46 Глава 2. ТЕМПЕРАТУРНЫЙ ИНТЕРВАЛ РАДИАЦИОННОГО РАСПУХАНИЯ 49 2.1. Экспериментальные результаты 49 2.2. Влияние температуры облучения на радиационное распухание материалов 53 2.3. Функция, характеризующая температурный интервал радиационного распухания 55 2.4. Методы расчета упругой энергии . 58 2.5. Сравнение с экспериментом 65 2.6. Влияние различных факторов на температурный интервал радиационного распухания 68 2.6.1. Влияние типа кристаллической решетки 68 2.6.2. Влияние сорта бомбардирующих частиц 69 2.6.3. Влияние скорости повреждения 70 2.6.4. Влияние энергии бомбардирующих ионов 70 2.7. Выводы к главе 2 71 Глава 3. ЗАРОЖДЕНИЕ И РОСТ РАДИАЦИОННОЙ ПОРЫ72 3.1. Квазитермодинамическая теория зарождения пор 72 3.2. Противоречия квазитермодинамической теории зарождения пор 81 3.3. Зарождение поры в рамках механизма диффузионно-деформационной неустойчивости 83 3.4. Расчеты образования радиационной поры 86 3.5. Концентрация радиационных пор 92 3.6. Концентрация радиационных пор в рамках механизма диффузионно-деформационной неустойчивости 97 3.7. Выводы к главе 3 103 Глава 4. ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ РАДИАЦИОННОГО РАСПУХАНИЯ 104 4.1.Зависимость радиационного распухания материалов от дозы 104 4.2. Модель роста радиационной поры 108 4.3. Основные положения модели 108 4.4. Расчет роста объема одиночной поры 111 4.5. Обсуждение результатов 114 4.6. Выводы к главе 4 118 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 119 ВЫВОДЫ 122 ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 123 ЛИТЕРАТУРА 125 ВВЕДЕНИЕ Актуальной задачей радиационного материаловедения является выработка рекомендаций по борьбе с радиационным распуханием металлических конструкционных материалов. Физический механизм радиационного распухания - образование в объеме материала пор в результате "конденсации пара" избыточных вакансий. Облучение создает в металлической матрице пары Френкеля (вакансия + междоузельный атом). Междоузельные атомы, имеющие более высокую подвижность по сравнению с вакансиями, поглощаются стоками (дислокации, границы зерен и т.п.), либо образуют междоузельные дислокационные петли. В результате, при длительном облучении металлических образцов в их объеме устанавливается некоторая стационарная концентрация избыточных вакансий. При некоторых условиях система избыточных вакансий становится неустойчивой, т.е. вакансии, растворенные в металлической матрице, представляют собой распадающийся раствор. В процессе распада происходит образование новой фазы - фазы пустоты. Наиболее перспективным с точки зрения объяснения всех основных закономерностей радиационного распухания представляется механизм диффузионно-деформационной неустойчивости. Суть этого механизма заключается в предположении, что избыточные вакансии в металлической матрице являются источником макроскопических упругих напряжений растяжения. Учет этих упругих напряжений в энергии Гиббса приводит к возникновению явления восходящей диффузии вакансий, что и приводит к появлению пор. В настоящее время основным направлением создания новых более радиационностойких конструкционных материалов является модифицирование металлов примесями. С этой точки зрения представляет интерес рассмотрение эффекта радиационного распухания сплавов. Однако образова- ние радиационных пор в сплавах сопровождается целым рядом сопутствующих эффектов (сегрегация элементов, упорядочение, возникновение и растворение новых фаз и т.п.). А так как детальное описание всех сторон процесса распухания отсутствует, целесообразно начать разработку новых теоретических представлений с наиболее простого случая - радиационного порообразования в чистых металлах. Цель и задачи работы Цель работы - теоретическое описание явления радиационного распухания чистых металлов на основании механизма диффузионно-деформационной неустойчивости. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи: — вывод функции, характеризующей температурную зависимость радиационного распухания; — теоретическое описание процесса возникновения отдельной поры, расчет вакансионных профилей в скоплениях вакансий, являющихся зародышами пор; — расчет концентраций радиационных пор; — расчет интегрального эффекта радиационного распухания (дозная зависимость эффекта распухания). Научная новизна Научная новизна работы заключается в том, что впервые: — предложена функция, характеризующая температурную зависимость радиационного распухания; — предложена модель возникновения поры, включающая предварительный процесс роста вакансионного скопления; — предложен метод расчета концентраций радиационных пор; — определена область влияния радиационной поры, получено выра- жение для параметра сверхрешетки пор; — предложена модель, позволяющая рассчитывать дозную зависимость эффекта радиационного распухания. Практическая ценность работы Отсутствие теории, позволяющей с единых позиций описывать все закономерности радиационного распухания, существенным образом снижает результативность борьбы с указанным явлением. Хотя данная работа связана с порообразованием в чистых металлах, успех теории здесь позволяет утверждать, что перенесение основ теории на сплавы вполне возможен. С развитием теории радиационного распухания сплавов появляется возможность направленного конструирования радиационностойких материалов. Полученные результаты являются основой для выработки рекомендаций по борьбе с распуханием. Результаты могут быть использованы при описании распада твердых растворов, могут быть полезны специалистам, занимающимся проблемами радиационного материаловедения. Структура работы Первая глава носит обзорный характер и посвящена описанию процессов, происходящих при радиационном порообразовании. Проведен обзор как имеющихся экспериментальных фактов, так и теоретических подходов к описанию таких фактов. Описан механизм диффузионно-деформационной неустойчивости, лежащий в основе всей работы. В соответствии с этим механизмом избыточные вакансии, создаваемые облучением, приводят к возникновению в объеме металлического кристалла макроскопическое поле упругих растягивающих напряжений. В свою очередь упругие напряжения способны значительно изменять энергию Гиббса системы. При определенных критических значениях отклонения системы из- быточных вакансий от равновесия происходит распад раствора вакансий с образованием пор. Распад раствора вакансий непосредственно связан с явлением восходящей диффузии. В конце главы сформулированы цель и задачи данного исследования. Вторая глава посвящена описанию температурной зависимости радиационного распухания. Предложена функция, описывающая температурный профиль распухания для различных металлов. Проведено сравнение с экспериментальными результатами. В третьей главе теоретически рассматривается процесс зарождения радиационной поры. Зарождение новой фазы практически во всех случаях наталкивается на термодинамический запрет, суть которого сводится к тому, что на начальной стадии при малом размере поры поверхностное натяжение с необходимостью требует рассасывания зародыша. Для уверенного дальнейшего роста поры необходим зародыш размером больше критического. Допускать возникновение такого зародыша флуктуационным путем достаточно трудно. Принятый в данной работе механизм диффузионно-деформационной неустойчивости предполагает возникновение (вследствие явления восходящей диффузии) скопления вакансий значительных пространственных размеров. Описывается изменение профиля этих скоплений в процессе облучения. В результате возникшая пора имеет размер больше критического. Таким образом, противоречия, связанные с использованием в данном случае "квазитермодинамической теории" зарождения новой фазы, оказываются устраненными. Предложенная модель позволяет дополнительно произвести расчет концентрации радиационных пор, рассчитать размер области влияния поры, либо параметра сверхрешетки пор. Четвертая глава посвящена интегральному эффекту радиационного распухания. Линейный характер дозной зависимости распухания объяснен существованием вблизи поверхности поры некоторой области, в которой для создаваемых облучением междоузельных атомов единственным эффективным стоком является пора. Введен параметр, определяемый типом кристаллической решетки матрицы, который регламентирует интегральный эффект радиационного распухания. На защиту выносятся следующие положения: 1. Механизм диффузионно-деформационной неустойчивости объясняет все основные закономерности радиационного распухания. Температурная зависимость радиационного распухания описывается функцией, полученной с учетом упругих напряжений. 2. Образованию собственно радиационной поры предшествует этап формирования большеразмерных вакансионных скоплений. Термодинамические ограничения на образование зародыша при этом автоматически снимаются. 3. Область влияния поры и параметр сверхрешетки радиационных пор определяются постоянной решетки матрицы, коэффициентом диффузии вакансий и упругими макроскопическими напряжениями. 4. Линейный характер дозной зависимости радиационного распухания объясняется тем, что после формирования резкой границы поры, вблизи этой границы существует область, внутри которой междоузельные атомы имеют преимущественный сток - пору. Апробация работы Основные положения и результаты работы были доложены на конференциях: - VII Международная школа-семинар "Эволюция дефектных структур в конденсированных средах. Компьютерное моделирование", Усть-Каменогорск, Казахстан, 25-29 июня 2003 г.; - Ill СЕМИНАР вузов Сибири и Дальнего Востока по "теплофизике и теплоэнергетике", Барнаул, 18-20 сентября 2003 г.; - Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием "Ультрадисперсные порошки, наноструктуры, материалы", 23-24 октября 2003 г., ЮТУ, г. Красноярск; - Всероссийская научная конференция молодых ученых "Наука. Технологии. Инновации", 04-07 декабря 2003 г., НГТУ, г. Новосибирск. Публикации По материалам выполненных в диссертации исследований опубликовано 7 работ. Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, выводов, списка публикаций по теме диссертации и списка литературы. Работа изложена на 139 страницах машинописного текста, содержит 27 рисунков, список литературы из 151 наименований. Глава 1. РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ЯДЕРНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК В эпоху широкого развития ядерной энергетики исследование изменения физических свойств в облученных материалах и проблема воздействия радиации на их структуру являются весьма актуальными проблемами физики твердого тела и радиационного материаловедения. Основные аспекты этих проблем, имеющих практическое значение,— создание конструкционных материалов с улучшенными и новыми свойствами и с возможностью управления радиационной стойкостью. Очевидно, что их решение зависит от того, насколько полно изучены структурные состояния, реализующиеся под действием разных видов радиации в кристаллах с определенной структурой и межатомными связями и их зависимость от примесей, условий роста и облучения. Все эти факторы определяют характер итоговых дефектов, их форму, размер, ориентацию, расположение по объему облучаемого кристалла и могут играть основную роль в податливости кристаллической структуры к частичной или полной перестройке ее на некотором этапе облучения. Одно из главных направлений, позволяющих существенно улучшить экономические показатели быстрых реакторов,— значительное повышение выгорания топлива. Насколько это эффективно, можно судить хотя бы потому, что увеличение выгорания на 1 % в БН-600 даст экономический эффект несколько миллионов рублей в год [126]. Но такое повышение выгорания топлива сдерживают конструкционные материалы активной зоны реактора. Под воздействием быстрых нейтронов, имеющих энергию больше энергии межатомных связей, атомы многократно смещаются со своих мест, что губительно отражается на основных свойствах конструкционных материалов и особенно на важнейшем из них- пластичности. Внешнее проявление этого воздействия - радиационный рост и распухание металлов. Значительное распухание и потеря механических свойств стали, наблюдаются уже при небольшой повреждающей дозе - около 50 с.н.а., что соответствует выгоранию 6—7%. С учетом характера зависимости радиационного распухания от повреждающей дозы в последующий период оно возрастает с увеличивающимся темпом. Это еще в большей степени осложняет разработку радиационно-стойкой стали, выдерживающей высокое выгорание топлива. На основании анализа данных экспериментальных и теоретических исследований как российских, так и зарубежных ученых стало возможным с известной определенностью оценить возможное влияние некоторых факторов — типа стали, содержания легирующих и примесных элементов, режима термомеханической обработки на радиационное поведение. И было очевидно, что без целенаправленных и систематических исследований эту задачу не решить. 1.1. ПРОБЛЕМА РАДИАЦИОННОГО РАСПУХАНИЯ В настоящее время большую актуальность приобрели вопросы повышения безопасности и надежности ядерных энергетических установок (ЯЭУ) различного целевого назначения. Одним из путей решения данной проблемы является создание новых материалов для ядерной техники, а также более эффективных способов их получения. Для повышения эффективности ядерных реакторов весьма важны надежные сведения о механических свойствах конструкционных материалов в эксплуатационных условиях. В частности, для выбора оптимального режима выхода реактора на мощность необходимы экспериментальные Кроме того, подобные данные имеют определенную ценность при изучении кинетики накопления радиационных повреждений. Рост мощности блоков ЯЭУ, обеспечение их высокой надежности в эксплуатации диктуют необходимость использования нержавеющих сталей в качестве основных конструкционных материалов систем и оборудования. Ведутся также опытно-экспериментальные работы по более широкому использованию в конструкции элементов тепловыделяющих сборок (ТВС) циркониевых сплавов. Считается, что при этом улучшится стойкость конструкции ТВС к радиационному распуханию и искривлению [121]. Опыт эксплуатации быстрых реакторов показал, что основные причины нарушения стабильности размеров ТВС связаны с радиационной ползучестью и распуханием конструкционных материалов. Поэтому крайне важными становятся исследования влияния условий облучения на; радиационное распухание и вызванные им радиационные изменения формы чехлов и оболочек ТВС. Впервые радиационное повреждение привлекло к себе пристальное внимание при создании первых атомных реакторов. Современная ядерная энергетика предъявляет высокие требования к конструкционным материалам. Радиационному распуханию подвергаются не только ТВС, но и графит (замедлитель нейтронов), таблетки тепловыделяющих элементов (твэлов), корпусы реакторов т.д. Если уран облучается при низких температурах относительно небольшим потоком нейтронов, изменение его объема незначительно, а изменение формы образцов связано главным образом с явлением радиационного роста [9]. Если же выгорание увеличивается, достигая нескольких тысячных от всего числа атомов урана, и если, кроме того, облучение ведется в верхней области существования а- урана (около 400-600°С), то происходит радиационное распухание. Другой пример: в реакторе типа СМ [135] металлический бериллий используется в качестве конструкционного материала отражателя и замедлителя нейтронов. Из бериллия изготовлены блоки отражателя, окружаюыще активную зону по периметру, а также вкладыши нейтронной ловушки, размещенные вокруг центрального канала. В активной зоне реактора бериллий находится под действием интенсивного нейтронного потока с жестким энергетическим спектром. В результате бериллий подвергается значительному радиационному повреждению. Согласно работе Чакина В.П. [135] к разупрочнению и охрупчиванию бериллия и образованию трещин в блоках приводит эффект, так называемой, радиационно-свеллинговой анизотропии, который заключается в различном по величине в разных кристаллографических направлениях распухании отдельных зерен, приводящем к росту зернограничных напряжений и ослаблению границ. Распухание материала блоков в состоянии после облучения не превышало 0.5-1.5%. В процессе высокотемпературных отжигов значительный рост распухания наблюдался и начиная с 600"С. При 800-1000°С распухание достигает несколько десятков процентов. Радиационное распухание, как уже упоминалось, связано с увлечением объема. Это явление служит главным препятствием, ограничивающим использование металлического а- урана в качестве топлива в реакторах, где требуется высокая степень выгорания (например, реакторы на быстрых нейтронах) и работа в условиях повышенных температур. Однако устойчивость против распухания зависит от многих факторов, частью металлургических, частью связанных с условиями эксплуатации. Например, при эксплуатации вода водных энергетических ректоров типа ВВЭР-1000 основными термомеханическими процессами, определяющими работоспособность твэлов и герметичность их оболочек, являются процессы механического взаимодействия топливного сердечника с трубкой оболочки и теплового расширения сердечника относительно этой трубки [121]. При стационарных режимах в ядерном топливе (таблетках) происходят два конкурирующих процесса: доспекание частиц двуокиси урана (уменьшаются размеры таблеток, и увеличивается зазор между ними и трубкой); радиационное распухание топлива из-за образования газовых пор (от продуктов деления). При длительной работе реактора на пониженной, но значительной мощности (более 12 суток в диапазоне 50-70% номинальной мощности) температура в топливе недостаточна для релаксации (снятия) напряжений с оболочек, но радиационный рост топлива (распухание) происходит, хотя и медленно. Поэтому скорость набора мощности в этом случае более ограничена (0.17% в минуту до 80%, а далее без выдержки 0.017% в минуту). Итак, в ядерных энергетических реакторах на материалы действуют не только механические нагрузки и высокие температуры, но и интенсивное реакторное излучение, состоящее из различных ионизирующих частиц [1-15]. Главная причина радиационной нестабильности металлических конструкционных материалов заключается в возникновении и развитии радиационной пористости, сопровождающейся распуханием материала. Поры и дислокационные петли обнаружены в конструкционных материалах, облученных до высоких интегральных потоков как быстрыми нейтронами, так и заряженными частицами на ускорителях. Развитие пористости происходит при температурах, при которых точечные дефекты - вакансии и междоузельные атомы подвижны. При длительном облучении частицами, способными создавать смещения атомов в материале, в металле устанавливаются стационарные концентрации точечных дефектов в результате процессов диффузии их к различным стокам (поры, дислокации, границы зерен, включения) и взаимной рекомбинации. Поры развиваются вследствие распада пересыщенного раствора вакансий в металле. В поры попадает часть вакансий, избежавших рекомбинации с внедренными атомами. Принято считать, что стационарный рост пор возможен лишь потому, что дислокации захватывают атомы в междоузлиях чаще, чем вакансии. Проведенные исследования радиационных повреждений в конструкционных материалах [16-42] обнаружили весьма сильную зависимость распухания от интегрального потока бомбардирующих частиц, условий облучения, композитного состава и предварительной термомеханической обработки. Для сравнения результатов облучения в различных условиях удобно выражать интегральные потоки в числах смещений на один атом металла, которые в среднем испытывает один атом в течение облучения. Типичные закономерности радиационного распухания показаны на рис. 1.1. и 1.2. [22]. В связи с тем, что при облучении заряженными частицами скорость создания смещений оказывается на три-четыре порядка выше, чем в существующих реакторах на быстрых нейтронах, большое количество экспериментальных исследований распухания конструкционных материалов при высоких интегральных потоках выполнено на ускорителях ионов и ВВЭМ (высоковольтный электронный микроскоп). Обнаруженные при этом закономерности и величины распухания (до 40% в нержавеющей аустинитной стали 316 при 600° и интегральной дозе около 220 см-ат"1, что эквивалентно интегральному потоку быстрых нейтронов 3*10 н/см ) заставляют серьезно отнестись к изучению радиационной пористости. Можно указать три способа уменьшения степени радиационного распухания материалов [7]: 1. Изменение содержания основных компонентов (в сталях — хрома и никеля). С увеличением содержания никеля склонность стали к радиационному распуханию уменьшается. Хром оказывает обратное действие. Сплавы на основе никеля (инкоэл) являются практически устойчивыми к распуханию. 2. Легирование сталей малыми количествами таких элементов, как кремний, ниобий, титан, цирконий, молибден, и уменьшение количества газовых примесей (гелия, кислорода, азота, водорода). 3. Изменение микроструктуры материала, размеров зерна, увеличение плотности дислокаций путем пластической деформации и создание в структуре устойчивой дисперсной фазы. 1.2. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ РАДИАЦИОННЫХ ПОР, МЕХАНИЗМЫ И ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИХ ФОРМИРОВАНИЯ Изучение закономерностей радиационного распухания является актуальным, как в аспекте физики радиационных повреждений, так ив прикладном плане. Существуют два типа радиационных пор: гетерогенные, образующиеся на кристаллических дефектах и границах фаз, и гомогенные, формирующиеся случайно на спонтанно образовавшихся скоплениях вакансий [7,99,100]. Экспериментально наблюдаются радиационные поры, как связанные со структурными неоднородностями (дислокациями, выделениями вторых фаз и пр.), так и не связанные с видимыми особенностями микроструктуры. Однако создать количественную модель образования и роста пор, которая была бы пригодна для практических приложений с адекватным описанием зависимости распухания от характеристик облучения, до сих пор не удается. Одной из причин такого положения является отсутствие надежной систематизации экспериментальных данных при высоких повреждающих дозах и сильная зависимость процесса образования и роста пор от большого количества внешних факторов. В работах [101,124,125] было показано, что в процессе высокодозного облучения при температурах 410-600°С в реакторе БН-600 оболочек твэлов из холоднодеформированной стали ЧС-68 (Х16Н15М2ГТР) происходит зарождение и рост нескольких типов пор, отличающихся по средним размерам и механизмам образования. Наиболее крупные поры а-типа зарождаются преимущественно в узлах пересечения дислокаций. Образование пор Ь-типа связано с радиационно-индуцированными фазами, формирующимися в более поздний период времени. Поры с- и d-типов образуются за счет реализации гомогенного механизма. Средний размер пор всех типов увеличивается с ростом повреждающей дозы, причем, скорость роста крупных пор больше, чем

Список литературы

Цена, в рублях: (при оплате в другой валюте, пересчет по курсу центрального банка на день оплаты)	1425

Скачать бесплатно	23260.doc

Найти готовую работу

ЗАКАЗАТЬ

Обратная связь:

Связаться

Вход для партнеров

Регистрация

Восстановить доступ

Материал для курсовых и дипломных работ

15.04.24 Задачи, условия и этапы организации экспериментальной работы

15.04.24 Критерии качества преподавания

15.04.24 Категория нормы в обучающей деятельности

Архив материала для курсовых и дипломных работ

Ссылки:

Счетчики:

© 2006-2022. Все права защищены.
Выполнение уникальных качественных работ - от эссе и реферата до диссертации. Заказ готовых, сдававшихся ранее работ.