Оглавление
Введение.....................................................................7
Актуальность темы........................;................................7
Цель и задачи работы.....................................................10
Научная новизна..........................................................11
Практическая ценность....................................................12
Основные положения, выносимые на защиту..................................12
Личный вклад соискателя..................................................12
Апробация работы.........................................................14'
Глава 1. Обзор литературных данных по применению мёссбауэровской спектроскопии для изучения циркониевых сплавов..............................16
1.1. Сущность эффекта Мёссбауэра........................................16
1.2. Вероятность эффекта Мёссбауэра.....................................17
1.3. Абсолютная концентрация фаз........................................18
1.4. Мсссбауэровский спектр.................:............................19
1.5. Параметры мёссбауэровского спектра.................................20
1.6. Площадь спектра....................................................22
1.7. Зависимость площади линии резонансного поглощения от эффективной
толщины образца..........................................................22
1.7.1. Зависимость по Р. Мёссбауэру.....................................23
1.7.2. Зависимость по В.И. Гольданскому.................................25
1.7.3. Зависимость но Г.А. Быкову и Фам Зуи Хиену.......................26
1.8. Возможные состояния атомов железа в циркониевых сплавах........28
1.8.1. Железо в систехме Zr-Fe..........................................29
1.8.2. Железо в системе 2г-Ре-ЫЬ-8п.....................................30
1.8.3. Железо в системе Zr-Fe-Sn-Ni-Cr..................................32
1.9. Основные характеристики чистого циркония............................33
1.10. Влияние легирования и термообработки на структуру, коррозионную стойкость, механические свойства и жаропрочность циркония................34
1.11. Радиационная стойкость циркония и его сплавов......................37
1.12. Градиентные структуры.............................................40
1.13. Влияние нейтронного облучения на химический состав циркониевых
сплавов.................................................................42
Глава 2. Экспериментальная техника. Методы приготовления сплавов...........46
2.1. Мёссбауэровские спектрометры и детекторы..........................46
2.2. Приготовление образцов сплавов....................................48
2.2.1. Выбор состава сплавов и режимов термообработки...................48
2.2.2. Методика приготовления образцов..................................49
2.3. Радиационные испытания циркониевых сплавов........................51
2.3.1. Облучение образцов пучком ионов Аг+.............................51
2.3.2. Облучение образцов в реакторе...................................51
Первый этап испытания...................................................55
Второй этап испытаний...................................................56
Третий этап испытаний...................................................57
2.4. Методики приготовления поглотителей...............................58
Заключение по главе 2...................................................59
Глава 3. Разработка методики расчета абсолютных концентраций фаз и вероятностей резонансного поглощения.......................................61
3.1. Зависимость площади линии резонансного поглощения от эффективной
толщины образца.........................................................61
3.1.1. Вывод зависимости................................................61
3.1.2. Сопоставление полученного результата с литературными данными..68
3.1.3. Зависимость площади линии резонансног о поглощения от эффективной толщины образца с учетом уширения линии источника и
поглотителя.............................................................69
3.2. Определение вероятности эффекта резонансного поглощения и
абсолютных концентраций фаз по экспериментальному спектру...............70
3.2.1. Алгоритм определения абсолютных концентрация фаз и значений вероятности резонансного поглощения.....................................70
4
3.3. Экспериментальная проверка теоретической зависимости площади
линии резонансного поглощения от эффективной толщины образца...........71
3.4. Погрешность нахождения параметров спектра........................71
3.5. Погрешность расчетов относительных концентраций фаз..............73
3.6. Расчет абсолютных концентраций соединений и вероятностей эффекта резонансного поглощения фаз железа в циркониевых сплавах: Э635 после холодной деформации и ИБР после холодной деформации и после отжига.. 74
Заключение по главе 3..................................................79
Глава 4. Влияние нейтронного облучения на химический состав циркониевых сплавов....................................................................80
4.1. Облучение тепловыми нейтронами...................................80
4.2. Облучение быстрыми нейтронами....................................84
Заключение по главе 4..................................................88
Глава 5. Мсссбауэровские исследования сплавов на основе циркония...........89
5.1. Анализ мёссбауэровских спектров и состояния атомов железа в
циркониевых сплава;: ЫБР и 2ху-2 после облучения ионами аргона.........89
5.2. Анализ мёссбауэровских спектров и состояния атомов железа в
циркониевом сплаве Э635 после облучения быстрыми нейтронами............93
Заключение по главе 5.................................................105
Глава 6. Закономерности перераспределения атомов железа в циркониевых сплавах под действием ионизирующего излучения.............................106
6.1. Перераспределение атомов железа в циркониевых сплавах ЫБР и Zry-2 после облучения ионами аргона.........................................106
6.2. Перераспределение атомов железа в циркониевом сплаве Э635 в
процессе облучения быстрыми нейтронами................................107
Заключение по главе 6.................................................109
Основные выводы и заключение..............................................111
Список литературы.........................................................114
Сп исок у слов н ых обозна чений
ДРР - деформация радиационного роста
КЭМС - конверсионная электронная мёссбауэровская спектроскопия ПЭМ — просвечивающая электронная микроскопия т.р. - твердый раствор х.д. - холодная деформация
с - скорость света, мм/с
Е0 - энергия резонансною перехода, эВ
/— вероятность резонансного поглощения гамма-кванта ядром
функция Бесселя первого порядка от действительного аргумента
1(у) - интенсивность резонансного излучения прошедшего через поглотитель. Под интенсивностью подразумевается число фотонов гамма-излучения п - абсолютная концентрация резонансных ядер площадь линии спектра, мм/с и - относительная скорость перемещения поглотителя, мм/с ЩЕ) - функция распределения плотности вероятности излучения гамма-квантов источником движущимся относительно поглотителя 7лу-2 - циркалой-2
~2 ) 1"^ ~ ФУНК1^я Бесселя нулевого порядка от мнимого аргумента
- функция Бесселя первого порядка от мнимого аргумента
Л) - функция Бесееля нулевого порядка от действительного аргумента
а - относительная доля резонансных квантов в спектре.
В - уширенис линии испускания и поглощения по отношению к естественной ширине
АЕ — квадрупольное расщепление, мм/с
С(у), е(и), г\(и) - величина эффекта резонансного поглощения (относительное число поглощенных гамма-квантов) [мм/с]
8 - изомерный сдвиг, мм/с Г - ширина резонансной линии на полувысоте X - эффективная толщина образца
са(Е) - сечение резонансного поглощения гамма-квантов с энергией Е сто - максимальное сечение поглощения гамма-квантов
7
Введение
Актуальность темы.
Энергетическая стратегия России предусматривает до 2020 г. ввод
атомных электростанций суммарной мощностью не ниже 30■ млн. кВт, причем основу составят энергетические установки типа ВВЭР-1000. В современной стратегии развития атомной энергетики вопросы обеспечения безопасности и удлинения межперегрузочных периодов ВВЭР и как следствие увеличение глубины выгорания топлива как при эксплуатации имеющихся, так и при проектировании новых ЯЭУ являются актуальными. В обеспечении безопасности реакторов с водой ' под давлением, как при нормальной эксплуатации, так и при аварийных ситуациях, важная роль отводится оболочке твэла, которая является одним из главных защитных барьеров, препятствующих попаданию в контур топлива и продуктов деления. Решение проблемы повышения глубины выгорания топлива также во многом зависит от оптимального выбора конструкционных материалов-оболочек твэла и других элементов активной зоны.
Для. элементов конструкций активной зоны, ядерных реакторов на тепловыхнейтронах в качестве материалов оболочек твэлов, каналов, кассет, дистанционных решеток используются сплавы циркония. Наибольшее применение циркониевые сплавы получили в реакторах с пароводяным теплоносителем, так как наряду с малым поперечным сечением поглощения тепловых нейтронов обладают высокой и стабильной коррозионной стойкостью в воде и паре высоких параметров и в других агрессивных средах, хорошей пластичностью и удовлетворительными прочностными характеристиками. К легирующим элементам циркониевых сплавов предъявляется комплекс требований: одни из них должны значительно ослаблять вредное влияние азота на коррозионную стойкость (при допустимом, содержании азота в сплавах менее 0,01%), другие - ощутимо не увеличивать поперечное сечение поглощения;, тепловых нейтронов, не
снижать радиационную стойкость, повышать прочностные характеристики и при этом существенно не уменьшать пластичность (сплавы должны быть пригодными для изготовления тонкостенных труб и листов, обладать хорошей свариваемостью). Поэтому выбор легирующих добавок ограничен сравнительно небольшим числом элементов при невысоком содержании их в сплавах. Для легирования используются N6, 8п, Ре, Сг, N1, Си и Мо, которые вводятся от долей процента до 2-3 % (в сумме). Среди циркониевых сплавов, получивших широкую известность и являющихся перспективными. -отечественный сплав Э635 и американский сплав ЫББ, содержащие в своем составе железо, ниобий и олово в малых концентрациях, а также американский сплав циркалой-2, содержащий в качестве легирующих элементов в малых концентрациях железо, олово, хром и никель.
Дальнейший поиск конструктивных материалов активной зоны может идти несколькими путями:
• выбор нового химического элемента для основы сплава;
• модификация существующих циркониевых сплавов; основанная на варьировании состава легирующих элементов и их концентраций, а также подбора оптимальных режимов термической и деформационной обработки;
• создание так называемых градиентных структур (структур с различными свойствами на поверхности и в объеме образца) на основе циркония с легированием лишь поверхностного слоя. Предполагается, что такие структуры могут выгодно отличаться от традиционных сплавов, за счет сложения лучших свойсIв компонент структуры (радиационную стойкость, низкое поглощение тепловых нейтронов, хорошие технологические качества изделий должен обеспечить чистый цирконий, дополнительная обработка обеспечивающая легирование поверхностного слоя позволит обеспечить коррозионную стойкость).
В случае выбора двух последних путей развития установление взаимосвязей между радиационными фазовыми превращениям и исходным фазовым составом циркониевых сплавов дает возможность модифицировать
существующие сплавы с целью улучшения их основных свойств, таких как коррозионная стойкость, сопротивление ползучести, пластичность, трещиностойкость, технологичность, необходимых для применения сплавов в ядерной энергетике.
Необходимые сведения о зарождении и эволюции вторичных фаз и перераспределении элементов в матрице сплавов в процессе термомеханической обработки, а так же о радиационных фазовых превращениях иод воздействием реакторного облучения могут быть получены с помощью мёссбауэровской спектроскопии, так как содержащиеся в составе сплавов железо и олово содержа!' мёссбауэровские изотопы. Данный метод позволяет изучать фазовый состав сплавов с малым содержанием легирующих элементов - при концентрации мёссбауэровского изотопа в соединении до 0,02%.
Метод мёссбауэровской спектроскопии позволяет определять по виду спектров качественное состояние так называемых мёссбауэровских изотопов, изменения структуры или элементов ближнего окружения приводит к изменению параметров мессбауровского спектра, решая обратную задачу можно установить изменения в структуре и/или химического элементного состава. Имея высокую качественную чувствительность (до 0,02%) долгое время не удавалось подвести математическую модель, позволяющую определять количество атомов в том или ином состоянии (так называемые фазы). Сложность количественного определения концентраций фаз по спектру заключается в необходимости учитывать величину эффекта Мёссбаузра для каждой фазы. Возможность определять абсолютные концентрации позволяет перейти от установления качественных взаимосвязей фазовых превращений под облучением от исходного фазового состава к количественным. Поэтому в данной работе для изучения структурно-фазовых изменений в сплавах был выбран метод мёссбауэровской спектроскопии.
10
Цель и задачи работы
Цель работы:
Выявление методом мсссбауэровской спектроскопии закономерностей;
перераспределения атомов железа в перспективных сплавах ядерной
энергетики на основе циркония под действием ионизирующего облучения.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить
следующие задачи:
• разработать математическую модель, связывающую площадь
мёссбауэровского спсктра с эффективной толщиной образца, и уточнить методику определения абсолютных концентраций фаз и/или величины эффекта Мёссбауэра; ' •
• получить экспериментальные мёссбауэровские спектры модельных сплавов типа Э635, и циркалой-2 в режиме пропускания и в режиме конверсионной электродной мёссбауэровской спектроскопии (КЭМС);
• получить экспериментальные мёссбауэровские спектры сплавов типа
N8? и циркалой-2 после обработки поверхности методом. ионного перемешивания облучением высокоэнергетичным пучком ионов Аг+ со средней энергией ЮкэВ; .
• для исследуемых образцов^ смоделировать процессы облучения (температурный режим и повреждающие дозы), которым подвергаются конструктивные элементы активной зоны в реакторе на тепловых нейтронах за время кампании;
• получить экспериментальные мёссбауэровские спектры после облучения в реакторе БОР-60 модельного сплава типа Э635 при комнатной, азотной и промежуточной температурах;
• теоретически проанализировать- возможность изменения первоначального состава сплавов в процессе реакторного облучения и образования новых соединений железа;
- Київ+380960830922