Введение к работе
Актуальность темы.
Увеличение темпов экономического роста в нашей стране требует опережающего строительства электрогенерирующих мощностей. Развитие атомной энергетики при условии обеспечения безопасности, одно из наиболее приемлемых решений этой проблемы с экономической и экологической точек зрения. В рамках федеральных целевых программ «Энергоэффективная экономика» и «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007 - 2010 годы и на перспективу до 2015 года» предусмотрено продление сроков эксплуатации действующих энергоблоков с реакторами типа ВВЭР-440 и ВВЭР-1000, а также массовое строительство реакторов ВВЭР-1200 (проект АЭС-2006).
Корпус реактора является основным незаменяемым оборудованием, и его состояние определяет безопасность и сроки эксплуатации АЭС. По действующим требованиям свойства материала корпуса должны исключать возможность хрупкого разрушения, как в эксплуатационных режимах, так и в аварийных ситуациях. Поэтому одна из наиболее актуальных задач – точное, достоверное определение и прогнозирование свойств материалов корпуса в зависимости от срока эксплуатации и интенсивности радиационного воздействия, вызывающего повышение критической температуры хрупкости и снижение трещиностойкости. Несмотря на многочисленные исследования в данной области, в настоящее время остаются значительные неопределенности в оценке совместного влияния таких факторов как химический состав, исходная микроструктура материала, температура облучения, спектр и плотность потока ионизирующих излучений.
Сталь 15Х2НМФАА, применяемая при изготовлении корпусов ВВЭР-1000 (ее применение планируется при изготовлении разрабатываемых в настоящее время реакторов ВВЭР-1200 и ВВЭР-1500), содержит 1,0-1,5% (в сварных швах до 1,9%) никеля. Легирование стали никелем необходимо для достижения необходимых прочностных свойств, но оно негативно влияет на радиационную стойкость материала. В литературе имеются существенно отличающиеся оценки этого влияния. Механизмы и закономерности воздействия никеля на степень охрупчивания корпусных сталей нельзя считать окончательно установленными. Таким образом, изучение механизмов и закономерностей радиационного охрупчивания (РО) малолегированных никельсодержащих феррито-перлитных сталей типа 15Х2НМФАА – часть реализации федеральных целевых программ, что и определяет актуальность выбранной темы.
Цель работы – определение зависимости радиационного охрупчивания малолегированных никельсодержащих феррито-перлитных сталей, применяемых при изготовлении корпусов реакторов ВВЭР-1000, от условий облучения и химического состава исследуемых материалов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Экспериментальное определение сдвигов критической температуры хрупкости на массиве образцов основного металла и металла сварного шва стали 15Х2НМФАА после облучения на стенде «Корпус» реактора РБТ-6 в условиях ослабления нейтронного потока в толще металла.
2. Систематизация и анализ существующих данных по радиационному охрупчиванию малолегированных феррито-перлитных сталей с различной концентрацией никеля в различных температурных и нейтронно-физических условиях.
3. Построение модели радиационного охрупчивания малолегированных никельсодержащих феррито-перлитных сталей в зависимости от концентрации никеля и температуры облучения.
4. Анализ влияния нейтронного спектра на процессы радиационного повреждения альфа-железа и малолегированных феррито-перлитных никельсодержащих сталей.
Научная новизна диссертационной работы:
1. Впервые получены результаты по охрупчиванию основного металла и металла сварного шва стали 15Х2НМФАА после облучения на стенде «Корпус» реактора РБТ-6 в условиях, моделирующих ослабление нейтронного потока в толщине стенки корпуса реактора.
2. Для малолегированных никельсодержащих феррито-перлитных сталей разработана эмпирическая модель, которая впервые описала экспериментальные результаты в виде линейной зависимости сдвига температуры хрупковязкого перехода от флюенса нейтронов, где коэффициент пропорциональности есть функция содержания никеля и температуры облучения.
3. Предложен новый параметр – количество каскадов на атом, характеризующий радиационное повреждение, связанное с образованием наноразмерных кластеров из легирующих элементов при прохождении каскадов атомных смещений и показано, что степень радиационного охрупчивания, вызванного образованием таких кластеров, зависит от числа каскадов, содержащих более 103 атомов.
4. Предложен физический механизм, качественно объясняющий влияние спектра нейтронного потока на РО исследуемых материалов.
Практическая значимость работы:
1. Результаты по радиационном охрупчиванию материалов корпуса ВВЭР-1000, полученные при условии ослабления нейтронного потока в толще металла, уточняют существующие расчетные и экспериментальные данные об изменении критической температуры хрупкости по толщине стенки корпуса реактора.
2. Разработанная модель кинетики радиационного охрупчивания позволяет сравнивать изменения свойств материалов корпуса реактора ВВЭР-1000 после облучения в различных температурных и нейтронно-физических условиях, что необходимо для корректного применения экспериментальных результатов в целях обоснования срока службы корпусов из стали 15Х2НМФАА.
3. Полученные экспериментальные данные и выявленные закономерности радиационного охрупчивания могут быть использованы для развития представлений о физике радиационного повреждения металлов и сплавов, а также для исследования и верификации механизмов воздействия эксплуатационных условий на свойства малолегированных никельсодержащих ферритоперлитных сталей, применяемых для изготовления корпусов реакторов с водой под давлением.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
В условиях ослабления нейтронного потока в толще металла экспериментальные данные по радиационному охрупчиванию основного металла и металла сварного шва после облучения на стенде «Корпус» реактора РБТ-6 характеризуются линейной зависимостью сдвига температуры хрупковязкого перехода от флюенса быстрых нейтронов в диапазоне флюенсов (1,0- 8,3)1023 м-2.
-
При плотности потока нейтронов порядка 1016-1018 с-1м-2 (E>0.5 МэВ) и температуре облучения 280-300 0С скорость радиационного охрупчивания малолегированных ферритоперлитных сталей линейно увеличивается с ростом концентрации никеля от 1,0 до 2,5 %.
-
При плотности потока нейтронов порядка 1016-1018 с-1м-2 (E>0.5 МэВ) и температурах облучения от 100 до 3600С скорость радиационного охрупчивания стали 15Х2НМФАА и ее сварных соединений экспоненциально убывает с ростом температуры.
-
Использование параметра «количество каскадов на атом» в качестве характеристики радиационного повреждения, связанного с образованием в каскадах атомных смещений кластеров легирующих элементов, уменьшает дисперсию экспериментальных данных по радиационному охрупчиванию, полученных в различных нейтронных спектрах.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на всероссийских и международных конференциях: на 8-ой Российской конференции по реакторному материаловедению. Димитровград, 21-25 мая 2007 года; 5-ой международной научно-технической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР». Подольск, 29 мая - 1 июня 2007г.; Всероссийской научной конференции молодых ученых и специалистов «Материалы ядерной техники: от фундаментальных исследований к инновационным решениям». Агой (Краснодарский край), 3-7 октября 2006 г.; XVII Международной конференции по физике радиационных явлений и радиационному материаловедению. Алушта (Крым), Украина, 4-9 сентября 2006г.; Восьмой Международной конференции «Проблемы материаловедения при конструировании, изготовлении и эксплуатации АЭС». Санкт-Петербург - Сосновый бор, 14-17 июня 2004 г.; International conference «Contribution of Material Investigation to the Resolution of Problems Encountered in Pressure Water reactors», Фонтевро, Франция 23-27 сентября 2002 г.; International Symposium on Nuclear Power Plant Life Management. Budapest, Hungary 4-8 November 2002.; Третьей международной научно-технической конференции (МНТК-2002) «Безопасность, экономика и эффективность атомной энергетики» Москва, 16-18 апреля 2002 г.; Шестой российской конференции по реакторному материаловедению, Димитровград, 11-15 сентября 2000 г.; Irradiation effects and Mitigation, IAEA Specialists Meeting held in Vladimir, Russian Federation, 15-19 September 1997.
Результаты работ неоднократно докладывались на отраслевых конференциях и семинарах.
Личный вклад.
Автором проведены послереакторные испытанния образцов, облученных в стенде «Корпус» реактора РБТ-6, разработка модели радиационного охрупчивания, анализ собственных и литературных экспериментальных результатов и верификация модели на их основе, расчеты параметров радиационной повреждаемости. Работа выполнена под общим руководством д.ф-м.н. В.Н. Голованова. Основные теоретические положения модели радиационного охрупчивания разработаны совместно с д.ф-м.н. В.В. Светухиным.
Достоверность результатов
Достоверность полученных научных результатов и выводов подтверждается:
- воспроизводимостью полученных экспериментальных данных на большом количестве исследованных образцов;
- использованием сертифицированных методик испытаний и аттестованного оборудования, наличием системы обеспечения качества в Испытательном центре «ОМВ-ИЦ» (Аттестат аккредитации №ИК 0008 от 19.02.2001г.), в котором выполнены основные исследования;
- проведением сличительных экспериментов по проверке методик облучения и механических испытаний с российскими и зарубежными организациями;
-сопоставлением полученных результатов с теоретическими и экспериментальными работами по радиационной стойкости корпусных сталей, опубликованных в отечественной и зарубежной литературе.
Публикации.
По материалам диссертации в различных изданиях опубликовано 22 печатных работы, в том числе 3 статьи в журналах рекомендованных ВАК.
Объем и структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы. Диссертация изложена на 98 листах, содержит 42 рисунка, 10 таблиц, список использованной литературы из 111 наименований.
