2
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И СПЕЦИАЛЬНЫХ ТЕРМИНОВ ТЯР-термоядерный реактор;
ИТЭР - международный термоядерный экспериментальный реактор; ДЕМО-демонстрационный термоядерный реактор второго поколения; ГПУ - гексагональная плоти оу па ко ван пая кристаллическая решетка; арргп - количество примесных атомов на миллион атомов бериллия;
D - коэффициент диффузии, см2/с;
Еп - энергия нейтронов, МэВ;
F - флюенс нейтронов, м'2;
1'обл_ температура облучения, К;
Tnjl_ температура плавления, К;
HFR - высокопоточный реактор (High Flux Reactor) в Петтеие, Нидерланды;
JMTR - исследовательский материаловедческий реакгор, Япония ГИП - горячее изостатическое прессование;
МэВ - мегаэлек'фонвольт;
Обл. сост. - облученное состояние;
РЭМ - растровая электронная микроскопия;
ТЭМ -трансмиссионная электронная микроскопия; сна - смещение на атом;
Т. 1-22 - обозначения термопар на ампуле в облучательном эксперименте HIDOBE-01.
3
СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ.........................................................6
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.....................................13
1.1. Термоядерные реакторы ИТЭР и ДЕМО..........................13
1.2. Бридерный бланке г, содержащий литий, и особенности эксплуатации бериллиевых материалом в блаикете ГЯР..............16
1.3. Применение минисфер из бериллия в бланкете ГЯР.............19
1.4. Перспектива использования бериллидов вместо бериллия в качестве размножителя нейтронов..........................................21
1.4.1. Фазовые диаграммы и методы производства бериллидов.......21
1.4.2. Основные физико-механические свойства бериллидов.........23
1.5. Радиационное повреждение бериллия при нейтронном
облучении.......................................................24
1.6. Изучение диффузии изотопов водорода в материалах на основе бериллия и влияние окиси бериллия на параметры десорбции радиогенных газов...............................................31
1.7. Выводы по главе 1..........................................37
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ........................................38
2.1. Способы производства и микроструктура образцов из
бериллида титана................................................38
2.1.1. Be-Ti образцы, полученные методом электродуговой
плавки..........................................................38
2.1.2. Be-Ti образцы, полученные с применением горячего изостатического прессования.....................................45
2.1.3. Образцы из бериллида титана Be^Ti производства компании Brush Wellman, США..............................................54
4
2.1.4. Верили иевы е м ин и сферы диаметром I мм производства компании ЫСК, Япония.....................................................56
2.2. Облучение в реакторе МУ К..................................57
2.3. Методы исследований........................................62
2.3.1. Исследования микроструктуры и расчет распухания по результатам исследований с использованием ТЭМ...................63
2.3.2. Механические испытания на сжатие при постоянном нагружении......................................................66
2.3.3. Термодесорбционные эксперименты..........................67
2.3.4. Ядерно-физические методы исследования поверхности
образцов.......................................................70
2.4. Выводы по главе 2..........................................72
ГЛАВА 3. ИЗМЕНЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И РАСПУХАНИЕ БЕРИЛЛИДА ТИТАНА ПРИ ВЫСОКОДОЗИОМ НЕЙТРОННОМ ОБЛУЧЕНИИ...................................................74
3.1. Радиационно-индуцированное образование газовых пор и пузырьков в бериллиде титана и нелегированном бериллии......................74
3.2. Распухание бериллида титана и нелегироваиного бериллия при нейтронном облучении............................................80
3.3. Выводы по главе 3..........................................82
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕРМОДЕСОРБЦИИ ТРИТИЯ ИЗ БЕРИЛЛИДА ТИТАНА И БЕРИЛЛИЕВЫХ
МИНИСФЕР.......................................................84
4.1. Исследования терм о десорбции трития из бериллида титана...84
4.2. Исследования термодссорбции трития из бериллиевых минисфер 86
4.3. Сравни тельный анализ параметров термодесорбции трития из бериллида титана и нелегированного бериллия.....................94
4.4. Физический механизм адсорбции и термодесорбции трития
из бериллиевых материалов.......................................97
5
4.5. Выводы по главе 4..................................101
ГЛАВА 5. РАДИАЦИОННОЕ ОХРУПЧИВАНИЕ БЕРИЛЛИДА ТИТАНА..................................................103
5.1. Механические свойс тва бериллида титана после ней тройного облучении при 740 К.....................................103
5.2. Испытания на ползучесть облученных бериллиевых минисфер диаметром 1 мм..........................................106
5.3. Выводы по главе 5..................................111
ГЛАВА 6. ИССЛЕДОВАНИЯ ОКИСЛЕНИЯ БЕРИЛЛ ИДО В ТИТАНА И ВАНАДИЯ В ВОЗДУШНОЙ СРЕДЕ.....................1 13
6.1. Исследования окисления бериллидов титана и ванадия.113
6.2. Исследования окисления бериллиевых минисфер........120
6.3. Выводы по главе 6..................................128
ВЫВОДЫ..................................................130
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ..........................132
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................134
6
Аюуалыюсп» гемм
После появления первых атомных реакторов интерес к бериллию и его интермсталличсским соединениям, обладающим уникальным сочетанием ядерио-физичсских свойств, резко возрос. Малая абсорбция нейтронов ядром и легкость отдачи одною из собственных нейтронов в сочетании с низким атомным весом, удовлетворительной коррозионной с юйкостью и высокой прочностью делают бериллий, а также его соединения, в частности, интсрмс галди ды перспективными материалами для размножителей нейтронов в термоядерном реакторе (ГЯР). В настоящее время актуальными являются исследования, связанные с разработкой международного гермоядерного реактора (проекты ИТЭР и ДЕМО). Бериллий в виде засыпки из минисфср диаметром 1 мм ирсдиолш асгся использовать в качестве маггериала размножителя нейтронов в бланксгс для воспроизводства грития [1,21. Помимо этою, в качестве альтернативного материала рассматриваются также ипгерме 1алличсскис соединения бериллия, Э'ю берилл иды гитана Вс12 П или в меньшей степени бериллиды ванадия Ве)2V, свойства которых к настоящему времени изучены еще недостаточно 13,41. Поэтому необходимы дополнительные исследования и обоснования возможное ж применения бериллидов в три гневом бланкете ТЯР.
В процессе эксплуатации материалы бланкста взаимодействуют с быстрыми нейтронами, обладающими энергией 14,1 МэВ, образующимися в процессе термоядерного синтеза тяжелых изотопок водорода дейтерия и трития. Рабочие температуры к бланксгс в проекте ДЕМО составляют 573-923 К, флюскс пейфоиов досгшас! значений - 3x10 1 п/м", что соответствует накоплению в бериллии 25700 аррт 1Слия Не1 и 640 аррт
7
трития 1Г при повреждающей дозе до 80 спа. При данных условиях эксплуатации происходит сущеегвеиное изменение свойств материалов, которое является, в первую очередь, результатом накопления гелия и трития в бериллии и сю соединениях. Комплексные исследования поведения бериллия и его соединений при параметрах близких к параметрам бланкета ТЯР можно рассматривав, с одной стороны, как обоснование возможности испольювапия перспективных бсриллисвых материалов в бланкегс юрмоядерпых рсакюров, с другой сгороны - как вклад в фундаментальные знания физики твердого зела о бериллии и сю соединениях.
Цслыо рабо I ы являС1Ся исследование влияния высокодозного нейтронного облучения и высоко 1смпсра1урпых отжигов на изменение микроструктуры и физико-механических свойствбериллида титана.
Дли достижения поставленной цели решались следующие задачи:
• разработка лабораторной тсхнолопзи и ил отовлснис образцов из бериллида титана Вс,2'П, исследование влияния технологических параметров на его микроструктуру и механические свойства;
• исследование влияния высокодозного пей 1 ройного облучения на степень распухания и характер образования газовых пор и пузырьков в бсриллидс титана;
• исследование параметров гермодесорбции фития и* бериллида титана после предварительного высоко тем] юразур но го насыщения газовой смесыо водорода и трития;
• исследование влияния иафужсиия при постоянной иафузке на параметры разрушения образцов из бериллида титана до и после ней тронного облучения;
8
• исследование влияния высоко 1смнсра1уриых опкиюв в воздушной среде на степень окисления бериллида 1И1аиа
Предме I исследования
В рабою исследовали четыре вида бериллида 1И1ана Вс1211 и один вид бериллида ванадия Ве^У, изгоювлениые методом олскфодуювой плавки и горячего изостагичсского прессования, а также минисфсры и* бериллия диамсфом I мм, имоювлепиые меюдом плавления вращающегося тлскфода, после облучения в ядерпом рсакюрс 111 К при юмперагурах 630-948 К в шпсрвалс фдюснсов пейфоиов (5,69-8,92)* 10ь м2 (Ь>1 МэВ), а 1акжс после высоко! ем пера гуриых о!Жиюв в воздушной среде и 1азовой смеси водорода и Iри 1 ия
Научная новизна:
1 Радтабоыпо три способа произволе 1ва па лабораюрпом уровне обращо в бериллида Ж1апа Вс1211, один из коюрых основам на юхнолщии плавления элск 1 родом, а два - с нримспснисм операции юрячею и юс I а! ичсского прессования
2 Ус!ановлепо, чю с увеличением юмперагуры облучения бериллида 1И1ана 01 740 К до 873 К распухание увеличиваемся с 0,08 % до 0,28 %, ч го значительно ниже распухания нелегировашюго бериллия (1.8 % при 1смпсра1урс облучения 630 К и 7,0% при 948 К)
3. По рсчулыаым юрмодесорбционных испьпапий образцов, предвари юлы ю пасыщснпых водородом и 1ри1ием, усыновлено, чю берияпид гитана обладас! меньшей склонное и,ю к удержанию фИ1ия по сравнению с ислегироваппым бериллием
4 По резулмаым испьпапий на ежаптс при носюянпой на! руже образцов бериллида I и I ана, облученных при 740 К, усыновлено, чю при 1емпсра!урс исньпапии 923 К образцы разрушались хрупко как в
9
исходном, гак и облученном состояниях без значительного усиления хрупкости под воздсйс і ни см нейтронного облучения.
5. По результатам исследований высокотемпературного окисления в воздушной среде бериллида титана и пелегированного бериллии установлено, что толщина окисной пленки на образцах бериллида гитана не превышает толщины окисной пленки па бериллии при сопоставимых условиях испытаний.
Практический значимое іь работы:
1. Основные результаты, полученные в ходе работы, позволяют рекомендовать бериллид гитана Вс12Ті к использованию в качестве размножителя нейтронов блапксіа термоядерных реакторов в качестве альтернативы ислсі ироваппому бериллию.
2. Полученные экспериментальные данные и выявленные закономерности радиационного изменения свойств бериллида титана в условиях высоко доз ного пей тронного облучения важны для развития фундаментальных представлений о физике радиационного повреждения твердого тела.
Основные положении, выносимые на защиту:
1. Использование ісхпологии горячего изостатичсского прессования (ГИГІ) ультрамелкозерп истой смеси порошков бериллия и титана с размером зерна 2-5 мкм состава Вс-30,8 масс.% Ті при изостатичсском давлении и 'температуре 1623 К позволило получить пруток однофазного бериллида іитаиа Вс,2Ті.
2. Распухание бериллида титана после облучения при 740 К и 873 К составляет 0,08 % и 0,28 %, соответственно, что значительно ниже
10
распухания нслегированного бериллия (1,8 % при температуре облучения 630 К и 7,0 % при 948 К).
3. Бериллид гиiana обладас) меньшей склоппосгыо к удержанию тритии по сравнению с бериллием, чго выражается в сравнительно более низких земиературах начала и окончания выхода трития из образцов в процессе нагрева при тсрмодссорбционпых испытаниях.
4. Нейтронное облучение при температуре 740 К не приводит к значительному усилению хрупкости образцов бериллида гитана в процессе механических испытаний на сжатие при 923 К по сравнению с испытаниями в необдучепном состоянии.
5. По резулыашм высокоюмнерагурных огжиюв в воздушной среде скорость окисления бериллида титана не превышает скорое ! и окисления hcjici ированиого бериллия при сопоставимых условиях испытаний.
Апробации работы
Основные результаты Диссертации докладывались и обсуждались па следующих между) тродных коп<|)срспциях и симпозиумах: 23-м
Международном симпозиуме по 1Срмоядсрпым icxiiojioi иям (SOI-Г-23, Венеция, Италия, 20-24 сентября, 2004 г.), 24-м Международном симпозиуме по термоядерным технологиям (SOFI-24, Варшава, Польша, 11-15 сентября, 2006 ).), 25-м Международном симпозиуме по
термоядерным технологиям (SOFT-25, Росток, Германия, 15-19 ссшября 2008 г.), 26-м Международном симпозиуме но 1срмоядсриым 1ехнологиям (SOP Г-26, ПорIу, Поргугалия, 27 ссшября - 1 октября, 2010 г.), 12-й Международной конференции по материалам для юрмоядерпых рсаюоров (ICI RM-12, Саша-Барбара, США, 4-9 декабря, 2005 г.), 14-й
Международной конференции по материалам для термоядерных реакторов (1СГКМ-14, Саппоро, Япония, 6-11 сентября 2009 г.), 15-й Международной конференции по материалам для 1срмоядсрпых рсаюоров (ICFRM-I5,
11
Чарльстон, США, 16-22 октября 2011 г.), 7-й Международной рабочей группе но бериллию (BeWS-7, Сапта-Ьарбара, США, 11-13 декабря, 2005 г.), 8-й Международной рабочей lpynnc по бериллию (BeWS-8, Лиссабон, Португалия, 5-7 декабря, 2007 г.), 9-й Международной рабочей группе по бериллию (BeVVS-9, Алматы, Казахстан, 15-17 сентября, 2009 i.).
Личный вклад
Автором разработана 1Схполо1ия и hiixhobjiciim образцы бериллида титана BC|2 Pi методами плавлением электрода и горячею изостатического прессования, планирование и организация механических испытаний и экспериментов по тсрмодесорбции фИТИЯ и окислению в воздушной среде, исследований микроезрушурм и распухания образцов бериллида ттапа и пелегированного бериллия, облученных в реакторе I11R, под общим руководством к.тл1. В.П. Чакииа.
Автором осуществлялась псносрсдо венное получение большинства экспериментальных данных, приведенных в работе, а также обработка, обобщение и анализ собственных результатов с привлечением литера rypi 1 ы х дан п ы х.
Дос го верность результатов
Достоверность полученных результатов обоснована применением
а пестованных испьпаюльных ус1аповок, сличительными экспериментами с российскими и зарубежными лабораториями, согласованностью результатов с опубликованными экспсримснтальпымии данными других исследоBaiслей.
12
Публикации
По маїериалам дисссріации в различных оісчссівсппьіх и зарубежных специализированных журналах опубликовано 10 печатых рабої 8 из списка ВАК, 2 - в сборниках ірудов международных конференций.
Обьем и сгрукіура дисссріации
Дисееріация сосюиі из введения, 6-ій і лав, выводов, списка лтсрагуры Дисссріация изложена на 143 сірапицах, содержи і 83 рисунка, 10 іаблиц, список лиісраіурьі из 109 наименований.
- Київ+380960830922