Введение к работе
Актуальность темы. Сооружаемый в ИЯИ РАН ядерно-физический комплекс Московской мезонной фабрики на основе сильноточного ускорителя протонов и отрицательных ионов водорода с энергией 600 МэВ позволит проводить широкий круг' фундаментальных и прикладных исследований по физике элементарных частиц и атомных ядер и в ряде смежных областей науки (физике твердого тела, биологии, медицине и т.д.) с использованием интенсивных пучков протонов, быстрых и медленных нейтронов, пионов и мюонов (Лобашев В.М., Тавхелидзе А.Н., 1983).
Экспериментальные исследования, осуществляемые на мезонних фабриках в лос-Аламосе (США) и Виллигене (Швейцария), подтвердили перспективность использования этих исследовательских комплексов для проведения работ по радиационной физике металлов и сплавов. Дополнительные возможности для решения проблем радиационного материаловедения, предоставляемые мезонкыми фабриками, связаны прежде всего с достаточно высокими скоростями радиационного повреждения в интенсивных пучках протонов и вторичных нейтронов и удобством работы на выведенных пучках в хорошо контролируемых условиях экспериментов.
Исследования физических явлений, лежащих в основе кинетики радиационных повреждений, могут указать пути выбора конструкционных материалов для ядерной и термоядерной энергетики. Металлы и сплавы, предполагаемые к использованию в энергетических установках будущего, должны быть устойчивы к воздействию облучения вплоть до высоких доз порядка сотен смещений на атом (смещ./ат.) или ~ ю23 нейтрон/см . При этом необходимо исследовать такие эффекты, как радиационное охрупчивание, вакансионкое распухание, радиационная ползучесть, влияние циклических механических нагрузок и изменений температуры, водорода, гелия и других создаваемых облучением примесей на физические свойства металлов и сплавов (Орлов В.В., Альтовский И.В., 1981).
Сложность и многообразие явлений, определяющих кинетику эволюции микроструктуры облучаемых твердых тел, их сильная зависимость от температуры, наличия примесей, длительности облучения, чувствительность к исходному состоянию образца, к механическим нагрузкам, делают актуальной постановку
целенаправленных экспериментальных исследований радиационных эффектов. Такие исследования возможны лишь на основе понимания физической природы изучаемых процессов. В связи с этим первостепенной задачей теоретического рассмотрения кинетики радиационного повреждения является проблема определения оптимальных условий наблюдения тех или иных явлений, возможностей подавления нежелательных эффектов и разграничения влияния различных факторов на кинетику протекающих процессов. Особую значимость приобретают такие предсказания в связи с. большой длительностью соответствующих экспериментов в существующих нейтронных полях, а также в связи с проблемой адекватности ускоренных имитационных исследований радиационного повреждения в нейтронных спектрах с помощью ускорителей заряженных частиц, в том числе и мезонных фабрик.
Совокупность точечных и протяженных дефектов в облучаемых металлах и сплавах представляет собой частный случай открытых неравновесных систем с реакциями и диффузией. В таких системах возможны процессы возникновения пространственных структур (самоорганизации) (Николис Г., Пригожий И., 1979). Проблемы пространственного упорядочения в открытых диссипативных системах в настоящее время обсуждаются применительно к биологическим, химическим и другим объектам исследований. В облучаемых металлах и сплавах экспериментально наблюдаются образование решетки пор, упорядочение дислокационных петель, газовых пузырьков. С теоретической точки зрения возможность образования устойчивых пространственных структур или пространственного расслоения реагирующих компонентов может быть связана с существенным различием пространственных масштабов соответствующих процессов диффузии. Одновременно в таких системах существует иерархия времен (Хакен Г., 1930). В системе радиационных дефектов,наличие различных временных масштабов приводит к многообразию экспериментально наблюдаемых зависимостей кинетики эволюции микроструктуры от длительности импульсов и частоты следования импульсов при пульсирующем облучении. Как -это*обычно имеет место в неравновесных системах с реакциями и диффузией, в системе радиационных дефектов существуют флуктуации параметров, вызываемые стохастической природой протекающих процессоз. Таким образом, облучаемые металлы и сплавы представляют собой физические системы, к которым могут быть применены методы теории неравновесных фазовых переходов и процессов
самоорганизации. Реализация такого подхода к описанию кинетики эволюции микроструктури под облучением, как показано в диссертации, позволяет выявить критические значения параметров, их связь с условиями облучения и, тем самым, определить экспериментальные возможности наблюдения эффектов.
Основные направления проведенного в диссертации теоретического анализа кинетики эволюции микроструктуры твердых . тел непосредственно связаны с практикой создания установок мезонных фабрик, работы их элементов в плотных пучках протонов и нейтронов. В первую очередь это относится к мишеням из металлов и сплавов, углеродным фольгам систем перезарядной инжекции и деления пучков.
Основные цели работы:
-
Разработка единого подхода к проблемам эволюции микроструктуры облучаемых твердых тел, основанного на последовательном развитии представления о системе радиационных дефектов как об открытой существенно неравновесной диссипативной системе с реакциями и диффузией, проведение в рамках данного подхода теоретического анализа условий возникновения неравновесных фазовых переходов в облучаемых металлах, сплавах, углеродных материалах.
-
Определение зависимости образующейся радиационной микроструктуры от скорости генерации дефектов, временных и температурных характеристик облучения.
3. Выработка на основе полученных теоретических результатов
концепции экспериментальных исследований ряда фундаментальных
процессов кинетики радиационного повреждения твердых тел.
Обоснование возможности имитационных исследований вакансионного
распухания металлов и сплавов на оснозе пучков протонов и нейтронов
ме"»лт!чых фабрик.
Научная новизна и практическая ценность работы. В диссертации впервые с единой—точки зрения теоретически проанализирован ряд явлений! развивающихся в облучаемых металлах, сплавах и углеродосодержащих материалах. Рассмотренные эффекты являются примерами неравновесных фазовых переходов в система радиационных дефектов.
В диссертации впервые проведен сравнительный анализ кинетики развития кластеров радиационных дефектов в виде междоузельных дислокационных петель и вакансионных пор в металлах и сплавах, при
облучении в непрерывных и пульсирующих пучках частиц. Пульсирующее облучение имеет в рассматриваемых случаях длительность импульсов и период следования импульсов, превышающие характерное время жизни междоузлий ' в- пересыщенном растворе точечных дефектов. Найдены предельные условия, при которых временная структура пучка может повлиять на развитие кластеров дефектов. Проведенный анализ позволяет обосновать возможность постановки экспериментов по исследованию вакансионного распухания металлов и сплавов в характерных нейтронных спектрах с помощью пучков протонов и вторичных нейтронов ядерно-физического комплекса мезонной фабрики.
Развито теоретическое описание кинетических процессов неустойчивости пространственно однородного (хаотического) распределения вакансиснных пор в облучаемых металлах и сплавах. Получен ряд аналитических результатов, впервые учитывающих стохастическую природу роста пор и их миграции, а также влияние вызванных каскадами атом-атомных столкновений флуктуации концентраций точечных дефектов на неравновесный фазовый переход пространственного перераспределения пор в условиях облучения.
Предложена теоретическая модель, описывающая начальную стадию наблюдаемого экспериментально процесса пространственного упорядочения атомов компонентов концентрированных бинарных сплавов под облучением. Впервые указано на пороговый характер эффекта и найдены критические параметры этого фазового перехода.
В диссертации впервые дается физическое объяснение кинетики разрушения облучаемых фольг на основе углерода за счет накопления радиационных дефектов, а также процесса графитации аморфной фазы. Полученные данные позволяют оценивать радиационную стойкость перезарядных мишеней в конкретных условиях облучения с учетом технологии их изготовления.
Практическая ценность- диссертации определяется важностью приводимых теоретических результатов для понимания ряда закономерностей фундаментальных, процессов эволюции структуры облучаемых твердых тел и условий постановки экспериментальных исследований рассмотренных эффектов.
*) - определяется процессами ухода на стоки и рекомбинации с вакансиями.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Зависимость концентрации и средних размеров меэдоузельных
дислокационных петель, образующихся в облучаемых металлах, от
условий облучения (скорости генерации дефектов К, температуры
облучения Т) и от исходного состояния микроструктуры (плотности
протяженных дислокаций р). Существование в данных условиях
облучения критического значения плотности протяженных дислокаций,
р, такого, что при P>PKD образование междоузельных дислокационных
петель подавлено за счет поглощения неравновесных междоузлий
протяженными дислокациями.
2. Образование повышенной плотности междоузельных
дислокационных петель при облучении металлов в сильноточном
пульсирующем пучке, длительность импульсов которого превышает
характерное время жизни междоузлий в пересыщенном растворе точечных
дефектов. Предполагается, что средняя скорость генерации дефектов
<К> пульсирующего облучения равна скорости генерации дефектов К
сопоставляемого непрерывного облучения.
3. Результаты теоретического определения условий влияния
периодического изменения скорости генерации дефектов и температуры
облучения на развитие вакансионного распухания металлов и сплавов.
Обоснование возможности проведения в пульсирующих пучках мезонних
фабрик ускоренных имитационных исследований вакансионного
распухания конструкционных элементов ядерно-энергетических
установок при непрерывном облучении.
4. Получение, на основе детерминированного анализа
неустойчивости хаотического распределения вакаксионвдх пор в
облучаемых металлах.-критических условий наблюдения неравновесного
фазового перехода - пространственного упорядочения вакансиоюшх
пор.
-
Анализ вклада стохастических флуктуации концентраций точечных дефектов и диффузии пор в возникновение неустойчивости пространственно однородного распределения вакансионных пор в облучаемых металлах.
-
Качественные характеристики устойчивых пространственных структур системы вакансионных пор в заданных условиях облучения.
7. Возможность неравновесного фазового перехода упорядочения
системы вакансионных пор в облучаемых металлах под влиянием
вызванных каскадами атом-атомных столкновений флуктуации
концентраций точечных дефектов.
8. Критерий появления структурной неустойчивости типа
спинодального распада в облучаемых концентрированных бинарных
сплавах.
9. Физическая модель разрушения углеродных фольг, позволяющая
оценивать времена, жизни перезарядных мишеней в зависимости от их
исходной микроструктуры и условий облучения.
Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертации докладывались на международных и всесоюзных конференциях, на семинарах ведущих научных центров СНГ и ряда зарубежных организаций.
По материалам диссертации опубликовано 43 работы. Список основных публикаций приводится в конце автореферата.
Объем и структура диссертации, диссертация состоит из введения, 8 глав, заключения и 5 приложений, содержит всего 258 страниц машинописного текста, в том числе 186 страниц основного текста, 28 рисунков, 5 таблиц и список литературы, содержащий 199 наименований.
