Введение к работе
. Актуальность проблемы
Одной из основных проблем ядерной энергетики является разработка конструкционных материалов узлов активных зон, способных противостоять совокупному воздействию нейтронного излучения, температуры и теплоносителя. Максимальные проектные рабочие температуры на оболочках твэлов реакторов на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем БОР-60, БН-350, БН-600 не превышают 680-710С. Верхняя температура ограничена вследствие недостаточной жаропрочности аустенитных нержавеющих сталей, используемых в качестве оболочечных материалов. Замена нержавеющих сталей на сплавы хрома позволит поднять рабочие температуры до 800-850С , что значительно повысит к.п.д. данного типа реактора. Кроме повышенной жаропрочности, сплавы хрома имеют удовлетворительную коррозионную стойкость в жидкометаллических средах, малую активируемость и другие качества, позволяющие считать их перспективными конструкционными материалами ядерной энергетики.
В настоящее время актуальными являются исследования, связанные с разработкой международного термоядерного реактора ( проекты ITER, DEMO и другие). Конструкционные материалы первой стенки и дивертора в нем подвержены мощному потоку высокоэнергетичных нейтронов. Наряду с другими кандидатными материалами ( бериллий, вольфрам, молибден) сплавы хрома также рассматриваются в качестве возможных материалов элементов конструкции ТЯР, обращенных в сторону плазмы.
Однако практическое использование сплавов хрома сдерживается их склонностью к хрупкому разрушению. Поэтому решение проблемы охрупчивания является ключевым в плане возможного применения сплавов хрома в поле нейтронного облучения.
Явление радиационного охрупчивания присуще не только сплавам на основе элементов VIA.группы Периодической таблицы, к которым относится хром, но и некоторым другим материалам, используемым в условиях ионизирующего излучения, например, ферритным сталям. Поэтому всестороннее рассмотрение этого явления, анализ его связи с 'микроструктурными изменениями имеет значение, выходящее за рамки изучения только хромовых сплавов. При таком подходе исследование радиационного охрупчивания сплавов хрома можно рассматривать как вклад
в фундаментальные знания о радиационной повреждаемости кристаллических материалов с ОЦК-решеткой.
Цель работы
Исследовать радиационное охрупчивание как явление, определяющее радиационную стойкость сплавов хрома применительно к условиям эксплуатации реактора на быстрых нейтронах и проекта термоядерного реактора с жидкометаллическими теплоносителями, и выработать пути его преодоления.
Научная новизна
В настоящей диссертации впервые получены экспериментальные результаты по влиянию нейтронного облучения в широких температурно-дозных интервалах на изменение механических свойств и микроструктуры низколегированных сплавов хрома и высоколегированных сплавов на основе системы Cr-Fe:
обнаружено радиационное охрупчивание сплавов хрома в процессе нейтронного облучения при 70-920С до флюенсов 2х1024 - 9.2х1026 н/м2 (Е>0.1 МэВ): по результатам механических испытаний на растяжение температура хрупко-вязкого перехода Тх возрастает до 200-700С;
получены дозно-температурные зависимости изменения механических свойств сплавов хрома, позволяющие оценить ресурс материала под облучением;
установлена прямопропорциональная зависимость для низколегированных сплавов хрома радиационного охрупчивания от радиационного упрочнения, вызванного радиационными дефектами (дислокационными петлями, вакансионными порами); для сплавов Cr-Fe -от количества образовавшейся а-фазы, обладающей повышенной хрупкостью;
обнаружено радиационно-стимулированное разрушение дислокационной ячеистой структуры в сплавах'хрома при пониженных температурах облучения (70-400С);
- обнаружена ралиационно-индуцированная сегрегация в сплавах Cr-Fe,
заключающаяся и обогащении стоков атомами железа, показано
непосредственное влияние сегрегации на интенсивность образования а-
фазы и зависимость этого процесса от содержания железа в сплаве;
- обнаружена зависимость радиационного охрупчивания от содержания
легирующих элементов ( Fe, Al, Мп, Мо), показана возможность снижения
радиационного охрупчивания путем подавления образования а-фазы
микролегированием;
- предложены и экспериментально обоснованы способы снижения
радиационного охрупчивания сплавов хрома путем оптимизации
температурного режима облучения или с помощью кратковременного
послереакторного отжига с последующим снятием поверхностного слоя.
Установлено, что радиационное охрупчивание действительно является определяющим радиационную стойкость сплавов хрома и ограничивает применение этих материалов в условиях ионизирующего излучения; достигнут определенный прогресс в понимании явления радиационного охрупчивания сплавов хрома, предложены пути преодоления охрупчивания.
Практическая ценность работы
Данные по влиянию нейтронного облучения на кратковременные механические свойства сплавов хрома позволили оценить ресурс работы тепловыделяющих элементов с оболочками из этих сплавов. Результаты исследований радиационной стойкости сплавов ВХ-2К и Х65ЦЧ были использованы в качестве радиационного обоснования в технических проектах экспериментальных твэлов ( чертежи М065СБ, М066СБ, М068СБ, 5Б. 1994.000.00СБ), оболочки которых изготавливались из этих сплавов.
Экспериментальные данные по радиационной повреждаемости сплавов хрома вошли в банк данных, создание которого является одним из направлений деятельности Министерства Российской Федерации по атомной энергии (Приказ Министра №59 от» 20.02.1995 г. о разработке отраслевого раздела Федеральной целевой программы "Национальная технологическая база").
Основные положения диссертации, выносимые автором на защиту
1: Дозно-температурные зависимости радиационного упрочнения и охрупчивания сплавов хрома при нейтронном облучении в интервале флюенсов 2х1024 - 9.2х1026 н/м2 (Е>0.1 МэВ) и температур 70-920С. 2. Экспериментальные данные о влиянии легирования Fe, Al, Мп, Мо на степень радиационного охрупчивания сплавов Cr-Fe.
-
Экспериментальные данные о зависимости радиационного охрупчивания низколегированных сплавов хрома от радиационного упрочнения, вызванного радиационными дефектами (дислокационными петлями, порами), сплавов Cr-Fe - от количества хрупкой интерметаллидной а-фазы.
-
Экспериментальное обоснование вывода, что наивысшим сопротивлением радиационному охрупчиванию обладают сплавы Cr-Fe с содержанием (3-10)% и (60-65)% Fe.
-
Обнаруженное явление радиационно-стимулированного разрушения ячеистой структуры при пониженных температурах облучения.
-
Обнаруженное явление радиационно-индуцированной сегрегации, приводящее к обогащению стоков точечных дефектов атомами железа и характер ее влияния на интенсивность образования а-фазы в зависимости от содержания железа.
7. Экспериментальные данные о влиянии кратковременного отжига и снятия
поверхностного слоя на восстановление пластичности облученных сплавов
хрома.
Вклад автора
Непосредственно автором в процессе выполнения работы:
- сделан литературный обзор отечественных и зарубежных данных, на
основании которого сформулированы цель и задачи работы;
- проведена подготовка и облучение в реакторах СМ-2 и БОР-60 восьми
облучательных устройств с образцами сплавов хрома;
- проведены послереакторные материаловедческие исследования
облученных образцов сплавов хрома с использованием комплекса методик
горячей матриаловедческой лаборатории ( механические испытания,
гидростатическое взвешивание, металлография, определение
микротвердости), а также тонкие структурные исследования (рентгеновский фазовый анализ, растровая и трансмиссионная электронная микроскопия, Оже-спектроскопия);
получены и проанализированы экспериментальные дозно-температурные зависимости изменения механических свойств и распухания сплавов хрома;
- получены и проанализированы экспериментальные данные по
влиянию легирования железом, алюминием, марганцем и другими
элементами на степень радиационною охрупчивания сплавов хрома;
выбраны сплавы, в наименьшей степени склонные к охрупчиванию под
облучением;
получены и проанализированы экспериментальные данные по влиянию облучения на изменение микроструктуры сплавов хрома; предложены полуэмпирические модели, связывающие степень охрупчивания сплавов с параметрами - радиационных дефектов и количеством образующейся ст-фазы;
предложены и экспериментально обоснованы пути снижения радиационного охрупчивания сплавов хрома.
СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ
