Введение к работе
Аюуаяьий1й_Вй&ш& Основополагающим фактором, определяющим уровень развития материального производства, яаляетсч состояние экерге-тякн. В наглей стране основная выработка электроэнергии (более 70% ) производится на тепловых электростанциях. Однако, вследствие экономик запасов органического топлива н стремления целесообразно его использовать, в условиях все возрастающей» потребления электроэнергии преодоление энергетического кризиса неизбежно связывается с использованием ядерной энергии. К настоящему промети ядерная зяергегака заняла прочное место в энергетическом балапсо развитых стран (Франция, Япония, Бельгия, Швеция и др.).
Стоимость производства электрической энергии иа итсмяых электро-стакаяях определяется в основном ценой топливной составляющей к затратами на переработку и захоронение отходов производства, Дайны» но ерзв-нлтельнкм оценкам, приводимые в лечатя, показмвмот, что стоимость элез-трознергиЕ, произведенной за плакируемый ресурс рг^сты атомной стаи-цші, ергякнма с затратами на переработку, утилкзацтэ в захоронение от-згодез производства.
С этой точки зрения снижение стоимости злектряческок энергав, получаемой па действующих атомных сгавдилх, eosmosceo только sa счет двух-трехіфатного увеличения ресурса работы установок (имеются 5 паду как корпусные конструкция, так и узлы активной сокы), который, з свою очередь ограничивается ргботоспсссбностьк» и надвзякесгйю конструкппоя-кмх материалов.
С другой стороны, экономичность нспольгорання топлпкеой состаи-"лккйцей определяется процетсм выгорания топляга к, з этом случгэ, болет выгодными, в сравнении с широко р&спрострзленккми: в настоящее время реакторами на тепловых Еейтрснах, являются реакторы, кепользугкцае реакцию на бкетрых нейтронах, то єсть более жеспсио я іштекеигкгез нен-трошпеэ потокн, и работающие я боле высоком, по ергзшеззта с упомянутыми, температурном режиме.
Рассмятрнзаемкэ в настоящее время как альтернатива ядерным энергетическим установкам, реакторы термоядерного синтеза, s которых дополнительно к интенсивному нейтронному и тегяюратурксх-гу воздействию непл-безкпо существует активнее воздействие жешганептев плазмы на поверхность персой стешеа разрядной камеры (блнстэркаг, фяекянг е нояксг распыление) п цикличность температуркыг воздействий, характеризуются екэ-цнфзчяымя условиями работы конструкционных материалов.
Перечисленные характерные особенности эксплуатации конструкционных материалов в составе ядерных и термоядерных установок показывают, что проблема повышения экономичности сводится к существенному повышению работоспособности и надежности конструкционных материалов.
При оценке работоспособности и надежности конструкционных материалов надо учитывать специфику работы основных узлов ядерных и термоядерных энергетических установок. Она прежде всего характеризуется резкой деградацией служебных свойств конструкционных материалов под действием нейтронного облучения, труднодоступностью для обслуживания при практической неремонтопригодности
Последствия разгерметизации систем нсрвого контура весьма опасны из-за загрязнения окружающей среды радиоактивными продуктами, сложности, а в ряде случаев, и практической невозможности последующего ремонта и обслуживания оборудования.
На стадии становления ядерной энергетики, при выборе конструкционных материалов для основных узлов теплоэнергетического оборудования использовался опыт, накопленный, при разработке сталей для традиционных тепловых злекіросгакцнй, авиастроения, судостроения и других отраслей промышленности. Но на этой стадии работ основной особенностью подхода в отечественном ядерном машиностроении явилось ужесточение требований к технологическим процессам производства сталей и пооперационному контролю качества полуфабрикатов в готовых узлов.
Накопленный опыт проектирования и эксплуатации ядерных и' термоядерных энергетических установок позволил сформулировать основные требования к конструкционным материалам, работающим в условиях воздействия высоких температур и интенсивных нейтронных и корпускулярных потоков:
-
Высокая сояротивляемость радиационному распуханию;
-
Малая скорость радиационной ползучести;
-
Минимальное распыление при взаимодействии поверхности с компонентами плазмы;
-
Сохранение достаточной деформационной способности в широком температурно- временном интервале под воздействием нейтронного облучения с учетом температурно-деформационных циклов;
5. Достаточная технололічность при металлургическом переделе н
свариваемость.
' Из перечисленных требований особо следует выделить пункт 4, как определяющий вообще возможность применения конструкционного материала, так как при выполнении всех остальных предъявляемых требований
к материалу, его работоспособность не может был» реализована при отсутствии достаточной пластичности.
Над решсішем проблем обеспечения предъявляемых требонаїпій работают более 65 крупных научных центров и организаций Российской Феде рации и стран национального содружества.
Таким образом, освоение ядерных к термоядерных источников энергии ставит перед физикой твердого тела и радиационным материаловедением ряд чрезвычайно сложных задач фундамеїггального и прикладного характера, связанных с низкой стойкостью материалов под облучением. Именно поэтому, создание конструкционных материалов в соответствии с требуемым ресурсом работы и тщательная проверка кх работоспособности являются актуальной и практически значимой задачей.
В представленной работе рассматривается іфшщипиально новое направление разработки конструкционных материалов для нужд ядерной и термоядерной энергетики, основанное на применении малокнкслевых аустс-гогпгых коррозионкостойких дисперелонпо-твердегогккх сталей, обладающих рядом преимуществ перед традиционно используемыми аустегагг-ными сталями и сплавами с твгрдорастпорным упрочнением.
ИзЛкЛШ&еЩещт - состояла в разработке принципов легирования и в создании экономно легированных никелем аустешшгых дисперснонво-твордеющих сталей с высокой сопротивляемостью радиационному распуханию, ионному распылению, с достаточной для эксплуатации пдастичкостыэ и удовлетворительной технологичностью для ядерных и термоядерных энергетических установок на основе расширенной концепции определяющего влияния структурных превращений ка ранних стадиях распада пересыщенных твердых растворов.
Указаішая цель определила следующие сснозльш задачи исследования:
1. На основе обобщенного анализа современного" состояния вопроса определить основные пути ослабления или подавления радкдцкошгого распухания.
-
Исследовать особенности структурно-фазовых превращений в распадающихся пересыщенных твердых растворах дистсерсиоянс-твердсющЕХ сталей, изменение механических и физических свейстз в связи с особенностями легироващея и структурных превращений и определить роль дисперсионного твердения в обеспечении еоіфотішляемости радиационному распуханию и конному распылению.
-
Исследовать влияние структурных превращений в распадающихся твердых растворах ка процессы ионного распыления и определить способы
уменьшения позерхкосткой эрозин конструкционных материалов, з условиях воздействий интенсивных корпускулярных ПОТОКОВ.
-
Исследовать жаропрочность и деформационную способность разработанных сталей в широком температурно-времешюм интервале температур.
-
Оценить технологические свойства разработанных сталей: деформационную способность в диапазон*) температур металлургического передела, сваркиаимость.
Ла зашиту выносятся следующие результаты, полученные лично автором н обладающие научной новизной.
-
Разработка научных основ формирования служебных свойств конструкционных материалов для ядерной энергетики и гфшщшюв их легирования на 6а?45 представлений об определяющей роли структурных превращении на различных стадиях распада пересыщенных твердых растворов в аустеыитных коррозжйшостошшх хромоннкелевых диеаерсиошго-тнердеюгцих сталях к сплавах. >
-
Механизм к кинетика процессов расгада пересыщенных твердых растворов дйсперсзгохшо-тБердеющих сталей, е пестроенныз в результате исследований диаграммы структурных превращения в широком темпера-турко-врсмеїшом интервале.
-
Положение «6 определяющей роли в ослаблении радиационного р&спуханяи структурно-принудительной рекомбинации, возникающей при определенном направленном легировании в латентном периоде непрерывного однородного развитого распада пересыщенных твердых растворов {инкубшіяоїшьш период формирования вторичных фаз типа №зТі или Ni3(Ti,AI) со значительной величиной объемной дклатацки на границе раздела "формирующаяся фаза - матрица"). При таком состоянии твердого раствора созникаккцие вокруг предвщдедешш унругоискаженные (растянутые и снеатые) области кристаллической решетки оказываются способными перераспределять потоки разноименных радиационных точечных дефегггов, экранировать опасные стоки от межузелывдх атомов, обеспечивая тем самым дополнительную рекомбинацию.
-
Впервые обнаруженную и подтвержденную многократными экспериментами структурную чувствительность процессов ионного распыления, а также предложенную модель ослабления ионного распыления,
-
Доказанное положение, что дисперсионное твердение служит надежной мерой сопротивляемости дисперсионио-твердеющюс сталей радиационному распуханаю и ионному распылению.
-
Разработанный ряд ноаых аустенатных даспорсиоано- твердеющих с высокой соїтро'гзтяярюст.ьн) радиационному распуханию и ионному рас-
пылснию сталей, защищенных авторскими свндетельствямн, с последова-тельно понижающимся содержанием никеля, обладающих удонлетяорнтсль-ной технологичностью.
ДоСЕРВеранжП! научных положений и выводов диссертационной рабо-ты обеспечивается тщательной обработкой к обобщением большого объема экспериментальных данных, имеющихся в радиационном материаловедении, широким применением современных методов кселодогшпнт структур сталей и сплавов, включающие; механические испытания, металлографический анализ, электрошгую микроскопию, ренлтйпоструктурный анализ и физические методы исследования.
Эксперименты по радиационному распуханию проводились на ускорителе тяжелых ионов ЭСУВИ Харьковского физшео-технического тести-тута. Иоішоо распыление изучалось на ускорителе ИЛУ-3 Российского научного центра "Курчатовский институт", а впугрнреакторнко испытания были выполнены в реакторе ВВРК Алма-Атинского института ядерной физики.
Практическая пряность работы заключается в той, что реализация научных положешш и нроведениьге исследования тгозноушли создать гамму аусгенитиых ' коррозгюшгостойких хромонккслевых дкспсрсиошсо-тгердеющих сталей с умеренным содержанием никеля, (обладающих повышенным сопротивлением радиационному расттухгчппо и иоттому раеггыло-нию с сохранением одновременно удовлетворительного уровня деформационной способггости и технологичности. Концепция ослабления радкацкотао-го распухания созданием структурно-пршгудителькой рекомбинации и ослабление котюго распыления формированием разномерно распределенных упруго нскаженных областей кристаллической решетки с распределением высокой плотности в маточном растеоре могуч быть использованы при разработке конструкционных материалов для ядерных я термоядерных энергетических установок, а уже разработанные на этой базе дисперсионно твердеющие стали с умеренным содержанием никеля рекомендуются для кепользоваїшя при проектировании перспективных углов я конструкций.
Вопросы определяющей роли структурных превращений з обеспечении работоспособности и радиационной повреждаемости конструкционных материалов в составе ядерных и термоядерных энергетических установок включены в учебные курсы лекціиі по радиаыквшгаку материаловедешда для студентов знергб-машшгостроятельного факультета.
&И&0&ШШі-Щбвпіи Основные результаты ксследозакий к диссертация в целом докладывались и обсуждались на: Всесоюзном постоянном семика-ре "Радиационная повреждаемость и работоспособность конструЕшгаггдьгх
S'
материалов" о г. Пскове, 1984, 1986, 1993 г.г., кос. Полярные Зори, 1988 г., г. Петрозаводске, 1990 г., г. Белгороде, 1995 г.; Всесоюзных совещаниях "Радиационные дефекты в металлах к сплавах", г. Алма-Ата, 1983, 1986 г.г.; Объединенной сессии постоянных семинаров по общей проблеме "Роль дефектов в физико-механических свойствах твердых тел", г. Барнаул, 1985 г.; Школе по физике радиационных повреждений твердого тела, г. Харьков, 1985 г.; Вакуркаяской школе по радиационной физике металлов и сплавов, Грузия, нос. Бакуриани, 1986, 1988, 1990 г.г.; Всесоюзной конференции по физике плазмы и ее приложениям, г. Звенигород, 1986 г.; Всесоюзном научном семинаре "Гелий в металлах" Москва (МИФИ), 1986 г.; Научно-техническом семинаре ИАЭ им. И.В.Курчатова, г. Москва, 1985 г.; Научно-технических семинарах при Ленинградском доме научно-технической пропаганды, 1985 - 1992 г.г.; Межотраслевой школе по физике радиационных повреждений твердого тела, г. Алушта, 1989, 1990, 1992 г.г.; Международной конференции по исследованию и разработке конструкционных материалов для реакторов термоядерного синтеза, г. Дубна, 1990 г.; 24-м отраслевом семинаре "Инженерные и экономические аспекты ядерной энергетики. Новые перспективные конструкционные материалы ядерных энергетических установок, Москва, 1990 г.; Международных конференциях " Радиационное воздействие на материалы термоядерных реакторов", С-Петербург, 1990, 1992, 1994 г.г.; Межотраслевых совещаниях "Радиационная физика твердого тела", г. Севастополь, 1989, 1992 г.г.; Совещании стран СЗВ "Радиационная физика твердого тела", г. Сочи, 1989 Г.; Международной конференции по исследованию н разработке конструкционных материалов для реакторов термоядерного синтеза, г. Дубна, 1990 г.; Всесоюзном совещании " Структурно-морфологические основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий", г. Обнинск. 1991г.; Международной научно-технической российско-германской конференции "Пластическая и термическая обработка современных металлических материалов", г. С-Петербург, 1994г.; Научно-технических семинарах кафедры "Металловедение" Санкт-Петербургского государственного технического университета, 1984-1996 г.г.
Публикации, Основное содержание диссертационной работы изложено в 37' печатных работах, 2-х учебных пособиях .и 8 авторских свидетельствах, список которых приводится в конце автореферата.
Сгйудтура g обьем„рз1кды. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 362 наименований. Материал разношен на 281 странице машинописного текста, 68 рисунках и 2 таблицах.
