Радиационная стойкость ДУО сталей

Email: [email protected] 15-16 сентября 2015, БГУ, Минск

Радиационная стойкость ДУО сталей, облученных высокоэнергетическими

ионами ксенона

В.В. Углов,Зав. кафедрой физики твердого тела,

доктор физ.-мат. наук, профессор

Белорусский государственный университет, Минск, Беларусь


Поколения ядерных реакторов

1-е поколение1950-1960



3-е+ поколение2010-2020

T < 350 °C, Эффективность ~ 30%

Поколение IV:•Высокая безопасность и надежность •Высокая рентабельность

Более высокие рабочие температуры: T ~ 700-900 °C, Эффективность ~ 44%

2

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Shippingport_Reactor.jpg

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Shippingport_Reactor.jpg

http://en.wikipedia.org/wiki/File:%D0%9C%D1%83%D1%80%D0%BC%D0%B0%D0%BD%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D0%BE%D0%B1%D0%BB._%D0%9A%D0%BE%D0%BB%D1%8C%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D0%90%D0%AD%D0%A1_%D0%A1%D0%B1%D1%80%D0%BE%D1%81%D0%BD%D0%BE%D0%B9_%D0%BA%D0%B0%D0%BD%D0%B0%D0%BD%D0%B0%D0%BB.2008-22.jpg

http://en.wikipedia.org/wiki/File:%D0%9C%D1%83%D1%80%D0%BC%D0%B0%D0%BD%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D0%BE%D0%B1%D0%BB._%D0%9A%D0%BE%D0%BB%D1%8C%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D0%90%D0%AD%D0%A1_%D0%A1%D0%B1%D1%80%D0%BE%D1%81%D0%BD%D0%BE%D0%B9_%D0%BA%D0%B0%D0%BD%D0%B0%D0%BD%D0%B0%D0%BB.2008-22.jpg

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Hamaoka_NPP_201005.jpg

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Hamaoka_NPP_201005.jpg

http://en.wikipedia.org/wiki/File:AP1000Reactor.jpg

http://en.wikipedia.org/wiki/File:AP1000Reactor.jpg


Функциональные материалы для поколения-IV

Условия эксплуатации:

• Высокая температура;•Высокие дозы нейтронов;•Коррозионная среда.

Желательные характеристики:•Стабильность против термической и радиационнойползучести;•Механические свойства: прочность, усталость и т.д.•Устойчивость к повреждающим дозам 10-150 сна;•Химическая совместимость охлаждающей жидкостии топлива.

3


M. Inoue, JAEA, MATGENIV, 2007

Радиационная стойкость при высоких температурах

ДУО (ODS) стали являются перспективными для материалов оболочек ядерныхэнергетических систем поколения IV (высокая устойчивость к облучениюнейтронами и хорошие механические свойства при повышенныхтемпературах).

4

Дисперстно-упрочненные оксидами (ДУО) стали


Дисперстно-упрочненные оксидами (ДУО) стали

Аустенитные стали, мартенситно-ферритные стали•Радиационное распухание;•Радиационная ползучесть;•Высокая температура радиационного охрупчивания

Доза < 83 сна, T<700 °C

ДУО ферритные стали -наноразмерные частицыоксида (точечные дефекты)•ловушки для радиационно-индуцированных точечныхдефектов;•препятствие движениюдислокаций.

устойчивость к распуханию

высокая стойкость температурной ползучести

Ожидается: доза ~ 200 сна, T ~ 900 °CТребуются дополнительные исследования

5


ЭП450 ДУО сталь

Когерентные с-Y2Ti2O7 оксиды в матрице -Fe.

Размер нанооксидов d = 5-200 нм, <d> = 10 нм, концентрация оксидов ~ 1015 см-3.

ЭП450 (Fe–13Cr–2Mo–Nb–V–B–0.12C) (ОАО ВНИИНМ, Москва).

6


ДУО сталь ЭП450

• Оксид Y2Ti2O7 с решеткойтипа пирохлорид –когерентный с матрицей-Fe.

7


ДУО сталь KP4

• Оксиды Y2Al2O9 (YAM- Yttrium AluminumMonoclinic) в матрице -Fe.

• Размер нанооксидов d=2-30 нм, <d>=5 нм,концентрация~1016 см-3.

KP4 (Fe-15Cr-4Al-2W-0.35Y2O3) (проф. A. Kimura, Университет Киото).

• Маленькие наночастицы (<10 нм) когерентны с матрицей.

• Большие оксиды (~20 нм) как правило не когерентны из-за аморфнойоболочки.

8


Осколки деления

9

нейтрон

ядерное

столкновение

вылетающие

нейтроны

-лучи

(энергия)


Xe+23 , E 1,2 МэВ/нуклон

Циклотрон ИЦ-100

Режимы облучения:

1. Одиночные ионные треки (доза 1012 см-2).

2. Перекрытие ионных треков (доза > 1012 см-2).

3. Ионное перемешивание (доза > 1014 cm-2).

ЛЯР ОИЯР, Дубна

10


Электронная подсистема (Sэ) Ядерная подсистема (Sя)

Распыляемый

ион

Ядерная подсистема

Электронная

подсистема

Потеря энергии высокоэнергетическими ионами

11

я э Глубина (м)

вакуум твердое тело

пробег иона R


ДУО сталь ЭП450 Xe (167 МэВ, 1x1012 см-2)

• Аморфные треки в нанокристаллических оксидах Y2Ti2O7.

• Нет других видимых эффектов облучения в матрице -Fe.

скрытые треки от высокоэнергетических ионов Xe

Одиночные ионные треки

12


Главная особенностьвзаимодействиявысокоэнергетических ионовтвердым телом – это высокийуровень ионизирующих потерьэнергии, которые могут привести кобразованию специфическогорадиационного повреждения -скрытые треки

• Наночастицы повышают локализацию энергии облучения в ионном трекеи влияют на процессы формирования скрытых треков.

Механизм образования теков

13


ДУО сталь ЭП450 Xe (167 МэВ, 2x1012 см-2)

Перекрытие ионных треков

• Термический критерий: локальноеплавление вдоль пути иона, когдаSэ>Sэ

терм

• Кристаллизационный критерий:рекристаллизация из расплавленнойобласти

ио

ны

Xe

14

Дефектыкристаллизации

Трансформация электронных возбуждений в тепло

Область возбужденных электронов

Труба застывшего (рекристаллизированого)

материала


ДУО сталь KP4Xe (167 МэВ, 1x1014 см-2)

• Наночастицы Y2Al2O9 - аморфные.

• Формирование упорядоченных

выделений (Fe, Cr)3O4 (хромит),

включенных в решетку -Fe.

• Размер хромитов - 3 нм.

Ионное перемешивание

Y2Al2O9

15


ДУО сталь KP4Xe (167 МэВ, 1x1014 см-2)

• Большие наночастицы Y2Al2O9 не полностью аморфные(Присутствуют маленькие кристаллические включения в аморфныхтелах).

16

Ионное перемешивание


Выводы(Sэ>>Sя)

• Скрытые треки наблюдаются в наночастицах Y2Ti2O7.

Режим перекрытия треков:

• Нет растворения наночастиц Y2Ti2O7.

• Полная аморфизация маленьких наночастиц Y2Ti2O7.

• Формирование упорядоченных включений (Fe, Cr)3O4.

Режим одиночных треков:

17


Электронная подсистема Ядерная подсистема

Распыляемый

ион

Ядерная подсистема

Электронная

подсистема

Потеря энергии высокоэнергетическими ионами

18

я э Глубина (м)

вакуум твердое тело

пробег иона R


Uglov, V.V. // Nucl. Instr. and Meth. B. – 2015. - Vol. 354. - p. 259-263.

19

Радиационная стабильность наночастицДинамические явления, возникающие в наночастицах при

облучениичастица

-коэффициент диссипации

F1, F2, F3 (F3`) > Fкр, Fкр=2Ua/a, где Ua –энергия активации миграционныхдефектов и a – постоянная решетки.Функция Хевисайда e(t)использовалась для учета порядка ипродолжительности воздействия сил F1,F2, F3 (F3`) на дефект.

-сечение взаимодействия(r,t) – радиальный компонент тензоранапряженийVdil – расширение объема

F3` - сила, действующая на дефект во времярассеяния фонона

термоупругиенапряжения

упругие возмущения, формируемые

термическим импульсом

упругие возмущения, формируемые

нестабильными парами Френкеля


• Дефекты мигрируют к поверхности: критерий “самоочищения” L R

5 10 15 20 25 30r, nm

20

40

60

80

L, nm

10 нм 25 нм

50 нм

Синий – 10 кэВ

Зеленый – 300 кэВ

Красный – 1 МэВ

Расстояние от центра наночастицы Fe (r), нм

Радиационная стабильность наночастиц

Радиус (R) наночастицы Fe


Выводы (Sя>>Sэ)

Динамические явления при облучении активируют дефекты миграции

Уменьшение числа дефектов в наночастицах

Критерий “самоочищения” L R

21

Определение размера наночастиц, обладающих повышенной радиационной стабильностью


Спасибо за внимание!

22

Радиационная стойкость ДУО сталей

Documents