Введение к работе
Актуальность темы
После появления первых атомных реакторов интерес к бериллию и его интерметаллическим соединениям, обладающим уникальным сочетанием ядерно-физических свойств, резко возрос. Малая абсорбция нейтронов ядром и легкость отдачи одного из собственных нейтронов в сочетании с низким атомным весом, удовлетворительной коррозионной стойкостью и высокой прочностью делают бериллий, а также его соединения, в частности, интерметаллиды перспективными материалами для размножителей нейтронов в термоядерном реакторе (ТЯР). В настоящее время актуальными являются исследования, связанные с разработкой международного термоядерного реактора (проекты ИТЭР и ДЕМО). Бериллий в виде засыпки из минисфер диаметром 1 мм предполагается использовать в качестве материала размножителя нейтронов в бланкете для воспроизводства трития [1,2]. Помимо этого, в качестве альтернативного материала рассматриваются также интерметаллические соединения бериллия, это бериллиды титана Be12Ti или в меньшей степени бериллиды ванадия Be12V, свойства которых к настоящему времени изучены еще недостаточно [3,4]. Поэтому необходимы дополнительные исследования и обоснования возможности применения бериллидов в тритиевом бланкете ТЯР.
В процессе эксплуатации материалы бланкета взаимодействуют с быстрыми нейтронами, обладающими энергией 14,1 МэВ, образующимися в процессе термоядерного синтеза тяжелых изотопов водорода дейтерия и трития. Рабочие температуры в бланкете в проекте ДЕМО составляют 573-923 К, флюенс нейтронов достигает значений ~ 3х1026 н/м2, что соответствует накоплению в бериллии 25700 appm гелия Не4 и 640 appm трития Н3 при повреждающей дозе до 80 сна. При данных условиях эксплуатации происходит существенное изменение свойств материалов, которое является, в первую очередь, результатом накопления гелия и трития в бериллии и его соединениях. Комплексные исследования поведения бериллия и его соединений при параметрах близких к параметрам бланкета ТЯР можно рассматривать, с одной стороны, как обоснование возможности использования перспективных бериллиевых материалов в бланкете термоядерных реакторов, с другой стороны - как вклад в фундаментальные знания физики твердого тела о бериллии и его соединениях.
Целью работы является исследование влияния высокодозного нейтронного облучения и высокотемпературных отжигов на изменение микроструктуры и физико-механических свойств бериллида титана.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
разработка лабораторной технологии и изготовление образцов из бериллида титана Ве12Ti, исследование влияния технологических параметров на его микроструктуру и механические свойства;
исследование влияния высокодозного нейтронного облучения на степень распухания и характер образования газовых пор и пузырьков в бериллиде титана;
исследование параметров термодесорбции трития из бериллида титана после предварительного высокотемпературного насыщения газовой смесью водорода и трития;
исследование влияния нагружения при постоянной нагрузке на параметры разрушения образцов из бериллида титана до и после нейтронного облучения;
исследование влияния высокотемпературных отжигов в воздушной среде на степень окисления бериллида титана.
Предмет исследования
В работе исследовали четыре вида бериллида титана Be12Ti и один вид бериллида ванадия Be12V, изготовленные методом электродуговой плавки и горячего изостатического прессования, а также минисферы из бериллия диаметром 1 мм, изготовленные методом плавления вращающегося электрода, после облучения в ядерном реакторе HFR при температурах 630-948 К в интервале флюенсов нейтронов (5,69–8,92)1025 м-2 (E>1 МэВ), а также после высокотемпературных отжигов в воздушной среде и газовой смеси водорода и трития.
Научная новизна:
1. Разработано три способа производства на лабораторном уровне образцов бериллида титана Be12Ti, один из которых основан на технологии плавления электродом, а два – с применением операции горячего изостатического прессования.
2. Установлено, что с увеличением температуры нейтронного облучения бериллида титана от 740 К до 873 K распухание увеличивается с 0,08 % до 0,28 %, что значительно ниже распухания нелегированного бериллия (1,8 % при температуре облучения 630 К и 7,0 % при 948 К).
3. По результатам термодесорбционных испытаний образцов, предварительно насыщенных водородом и тритием, установлено, что бериллид титана обладает меньшей склонностью к удержанию трития по сравнению с нелегированным бериллием.
4. По результатам испытаний на сжатие при постоянной нагрузке образцов бериллида титана, облученных при 740 К, установлено, что при температуре испытаний 923 К образцы разрушались хрупко как в исходном, так и облученном состояниях без значительного усиления хрупкости под воздействием нейтронного облучения.
5. По результатам исследований высокотемпературного окисления в воздушной среде бериллида титана и нелегированного бериллия установлено, что толщина окисной пленки на образцах бериллида титана не превышает толщины окисной пленки на бериллии при сопоставимых условиях испытаний.
Практическая значимость работы:
1. На базе проведенных исследований экспериментально обосновано использование бериллида титана Be12Ti в качестве размножителя нейтронов бланкета термоядерных реакторов.
2. Полученные экспериментальные данные и выявленные закономерности изменения свойств бериллида титана после высокодозного нейтронного облучения являются важным вкладом в базу данных знаний по развитию фундаментальных представлений о физике радиационного повреждения твердого тела.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Использование технологии горячего изостатического прессования (ГИП) ультрамелкозернистой смеси порошков бериллия и титана с размером зерна 2-5 мкм состава Be-30,8 масс.% Ti при изостатическом давлении и температуре 1623 К позволило получить пруток однофазного бериллида титана Be12Ti.
2. Распухание бериллида титана после облучения при 740 К и 873 K составляет 0,08 % и 0,28 %, соответственно, что значительно ниже распухания нелегированного бериллия (1,8 % при температуре облучения 630 К и 7,0 % при 948 К).
3. Бериллид титана обладает меньшей склонностью к удержанию трития по сравнению с бериллием, что выражается в сравнительно более низких температурах начала и окончания выхода трития из образцов в процессе нагрева при термодесорбционных испытаниях.
4. Нейтронное облучение при температуре 740 К не приводит к значительному усилению хрупкости образцов бериллида титана в процессе механических испытаний на сжатие при 923 К по сравнению с испытаниями в необлученном состоянии.
5. По результатам высокотемпературных отжигов в воздушной среде скорость окисления бериллида титана не превышает скорости окисления нелегированного бериллия при сопоставимых условиях испытаний.
Апробация работы
Основные результаты Диссертации докладывались и обсуждались на следующих международных конференциях и симпозиумах: 23-м Международном симпозиуме по термоядерным технологиям (SOFT-23, Венеция, Италия, 20-24 сентября, 2004 г.), 24-м Международном симпозиуме по термоядерным технологиям (SOFT-24, Варшава, Польша, 11-15 сентября, 2006 г.), 25-м Международном симпозиуме по термоядерным технологиям (SOFT-25, Росток, Германия, 15-19 сентября 2008 г.), 26-м Международном симпозиуме по термоядерным технологиям (SOFT-26, Порту, Португалия, 27 сентября – 1 октября, 2010 г.), 12-й Международной конференции по материалам для термоядерных реакторов (ICFRM-12, Санта-Барбара, США, 4-9 декабря, 2005 г.), 14-й Международной конференции по материалам для термоядерных реакторов (ICFRM-14, Саппоро, Япония, 6-11 сентября 2009 г.), 15-й Международной конференции по материалам для термоядерных реакторов (ICFRM-15, Чарльстон, США, 16-22 октября 2011 г.), 7-й Международной рабочей группе по бериллию (BeWS-7, Санта-Барбара, США, 11-13 декабря, 2005 г.), 8-й Международной рабочей группе по бериллию (BeWS-8, Лиссабон, Португалия, 5-7 декабря, 2007 г.), 9-й Международной рабочей группе по бериллию (BeWS-9, Алматы, Казахстан, 15-17 сентября, 2009 г.).
Личный вклад
Автором разработана технология и изготовлены образцы бериллида титана Be12Ti методами плавлением электрода и горячего изостатического прессования, планирование и организация механических испытаний и экспериментов по термодесорбции трития и окислению в воздушной среде, исследований микроструктуры и распухания образцов бериллида титана и нелегированного бериллия, облученных в реакторе HFR, под общим руководством к.т.н. В.П. Чакина.
Автором осуществлялась непосредственное получение большинства экспериментальных данных, приведенных в работе, а также обработка, обобщение и анализ собственных результатов с привлечением литературных данных.
Достоверность результатов
Достоверность полученных результатов обоснована применением аттестованных испытательных установок, сличительными экспериментами с российскими и зарубежными лабораториями, согласованностью результатов с опубликованными экспериментальнымии данными других исследователей.
Публикации
По материалам диссертации в различных отечественных и зарубежных специализированных журналах опубликовано 10 печатных работ: 8 из списка ВАК, 2 - в сборниках трудов международных конференций.
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, 6-ти глав, выводов, списка литературы. Диссертация изложена на 143 страницах, содержит 83 рисунка, 10 таблиц, список литературы из 109 наименований.
Похожие диссертации на Распухание, термодесорбционные и механические свойства бериллида титана при высокодозном нейтронном облучении
