t Е

Ф= VCE,-t)dEclt = nCE.t)C£,t)dEat, t.E

te относится и к вакансиям, йканоки могут образовывать стационарные пустоты, особенно в присутствии газа, который стабилизирует их, В меиалличеоких конструкциях реактора газ образуется при взаимсдейотвии нейтронов о атомами металла. Например, нейтроны с энергией, превышающей 5 МэВ,при захвате их ядрами атомов материала могут образовать водород и гелий. Помимо этого, при взаимодействии некоторых атомов могут образоваться радиоактивные изотопы тех же или других элементов. В результате свойства конструкционных материалов изменяются.

Вероятность смещения атомов и ядерных превращений зависит от энергии падающих нейтронов. Для большинства интересующих нас материалов эффективность смещения под действием нейтронов медленно растет о ростом их энергии в диапазоне I-I5 МэВ, Например, в ниобии нейтрон о энергией 15 МэВ смещает атомы примерно в четыре раза эффективнее, чем нейтрон о энергией I МэВ, Сечения реакций in,oL и (Л,р) при энергии падающего нейтрона 10 МэВ, как правило, на 1-2 порядка больше, чем при энергии 5 МэВ, По мере продвижения нейтронов в бланкете интенсивность потока ослабевает и энергия нейтронов уменьшаетоя. Нейтронный поток, падающий на первую огенку бланкета, будет наиболее интенсивным и жестким.

Рассмотрим основные радиационные явления в материале первой стенки, а также результаты исследований радиационной стойкости металлов и сплавов и изменения их свойств при облучении. Отметим наиболее важные условия, в которых будут находиться материалы:

I. Первая отенка должна работать весь срок службы ТЯР, это означает, что флюено быстрых нейтронов составит величину103 ом 2 (поток ~ 10 нейтр/омо, > 0,1 МэВ).

Флюено нейтронов - терглин, применяемый в радиационном материаловедении и обозначающий произведение нейтронного потока 4* = ПгГ= а С2Е/мУ на время t ( и. - плотность, гГ окорооть нейтронов, м - масса нейтрона, е - кинетическая энергия). В ядерной физике и радиационной технике безопасности аналогичная величина называется интегральным потоком нейтронов и суммарной дозой нейтронов соответственно. Флюено нейтронов определявтоя формулой

где - момент начала облучения нейтронами; , наименьшее и наибольшее значения энергии нейтронов в спектре.

2. Характерной особенностью является высокая окорооть наработки гелия по реакции (, П , оС ) на нейтронах с энергией 14 МаВ (сечения для большинства конструкционных материалов составляют десятки миллибарн), потоки которых достигают 10 нейтр/омо.

3. ТЯР на основе токамака будет работать в цикличеокс*! режиме и через материал первой стенки будет проходить пульсирующий тепловой поток плотноотью 10-30 Вт/ом; терыомеханичеокая усталость будет приводить к ухудшению механических свойств под ой-лучением. Контакт материала о плазмой приводит к его облучению потоками ионов дейтерия и трития 3 10 ом с о энергией 100-1000 эВ.

По последнему пункту следует отметить, что если в большинстве отечественных, зарубежных и международных проектов ТЯР (ГТРТ, ИНТОР, OTP) принималась концепция не защищенной от корпускулярных потоков первой стенки, то в проекте ITER предполагается графитовая защита, и поэтому на первую стенку будут попадать молекулы изотопов водорода существенно меньшей энергии,

В основном конструкционные материалы реакторов выходят из строя под облучением в результате ваканоионно^ распухания, ускоренной радиационной ползучести, низкотемпературного и высокотемпературного охрупчивания, сдвига критической температуры хруп-KoqiH. Для материалов первой стенки добавляются явления поверхностной эрозии,

Ваканоионное распухание (BP). Многие материалы после облучения до высоких флюеноов претерпевают ваакроскопичеокое уменьшение плотности, оспровождаемое ростом в объеме материала пор, образование которых обусловлено конденсацией оверхравновеоных вакансий, созданных облучением.

На величину BP оказывают сущеотванное влияние:

а) температура облучения. Величина распухания завиоит при этом от типа сплава и его химического состава;

б) тип решетки;

в) легирование и исходная термическая обработка материала;

г) наличие инертных и химически активных газон в материале, что имеет первоотепенное значение именно для материалов ТЯР,

На рис,5.3 изображена последовательность стадий развития БР. На этом рисунке цифрами обозначены: I - время установления стационарной концентрации точечных дефектов; 2 - время задержки за-

Флюенс, сна.

Рио.5,3

рокденяя; 3 - период зароедения пор; 4 - переходный период; 5 -отадия уотановившегооя раопухания; 6 - наоыщение. Флюенс измеря-еюя в она-смещения на атом (или число атомных смещений), так как именно смещение атомов и возникновение газа под действием нейтронов могут приводить к изменениям размеров и прочности, а такке к потере пластичности (охрупчиванив). В табл.5.1 приводятся значения числа смещений наатом (определящих скорость радиационного повреждения) и числа образовавшихся атомов газа (скорости наработки гелия и водорода) для различных материалов первой стенки ШР с нейтронной нагрузкой I МВт/м^.

Таблица 5,1

Продолжение табл. 5.1

Продукт спекания алюминия(5ifttered Atuminum Product),

состоящий КЗ 90 % At IQ % At O3

Исследования ауотенитных железо-хромо-никелевых сплавов показали, что легирование изменяет в широких пределах длительность переходного периода BP, Добаыси St , Р , Nl , V , TL и некоторых других элементов удлиняют эту стадию,

Аустенитные нержавеющие хромоникелевые стали типа 316 (считающиеся одним из основных кандидатов в материал первой отенки) имеют хорошую коррозионную стойкость и технологичность, но обладают также серьезными недостатками: значительным BP и высокотемпературным радиационным охрупчиванием, максимум вредных действий которых прходится на наиболее выгодную темпертурную область применения оталей (450-650°С).

Ферритные и ферртно-мартеноигные сплавы (хромистые сплавы) имеют меньшее по срвнению о ауотенитными сплавами BP пр облучении нейтрнами.

Радиационная ползучесть (РП), В ракторх материалы должны рботать в условиях сдноврменного рдиационного повреждения и действия механических напржений, что может приводить к их деформации.

Прогнозы относительно РП конкртных материалов не являются надежными из-за трудности изучения болыгого количества физических механизмов, описывающих накопление точечных дефектов, их источники и стоки, трнофорацию микроструктур. Экспериментальные иоследования позволили получить некоторе данные о РП обрзцов конкртной Форш. В частности, для трубчатых обрзцов было получено, что Ш ферртных оталей меньше, чем ауотенитных.

Низкотемпературное радиационное охрупчивание и упрочнение. Для большинства облучаешх металлов и сплавов в широком интервале темпертур (до 0,5-0,6 Тр,д ) испытания на ротяжение обнаруживают рот прдела текучести и врменного сопротивления о увеличением флюенса.. Прирост упрочнения особенно значителен (в несколько рз) пр флюеноах < 10* нейтр/см. По характеру зани-

- 97 -

В ферритных сталях, сплавах на оонове циржонвя и алшиния ВТРО практически не происходит.

Существует несколько моделей механизма возникновения ВТРО, Наиболее распространенной точкой зрения является мнение с тем, что за ВТРО отвечает гелий, образующийся в материалах при облучении. Если это верно, тс для ТЯР это особенно важно. Гелий, образующийся в металле при температуре, большей 0,5Трд , подвижен и из-за практической нерастворимости осажцаетоя на границах верен, ослабляя их оцепление между собой, Лрочность границ зерен количественно определяется долей их поверхности, занятой гелиевыми пузырьками, являющимися зародышами трещин.

Согласно другой течке зрения, ослабление границ зерен вызвано не гелием, находящимся в материале, а выносом на них некоторых примесей внедрения, таких как фосфор, сера и др.

Сдвиг критической темпеоатуш хрупкости под облучением. Для железа, стали, металлов и сплавов с объемноцентрЕрованной кубической- и гексагональной о плотной упаковкой решетками характерно явление хладноломкости - свойство материала терять вязкость, хрупко разрушаться при понижении температуры. Наиболее вакной характеристикой материала следует считать порог хладноломкости -критическую температуру хрупкости Тур , ниже которой разрушение происходит по хрупкому механизму с весьма малой затратой внергии на разрушение.

Металлы и сплавы с гранецентрирсванной кубической решеткой, а тйкже титан и его сплавы с гексагональной решеткой не имеют явно выраженного порога хладноломкости - при охлаждении их ударь ная вязкость снижается монотонно,

У перлитных сталей (углеродистые стали, легированные хромом, никелем, молибденом, ванадием) облучение даже дс небольших флюеноов (10-100 нейтр/см) мскет увеличить Tjp на несколько градусов. Рост величины Т^ может привести к тому, что рабочая температура материала окажется в области хрупкого разрушения,

Ферритные стали обнаруживают радиационное упрочнение при температурах облучения нике 550°С, Рост пределов текучести и прочности сопровождается схрупчиванием. Однако изменение Tjp при 550°С резко падает дс нуля. Таким образом, для этих сталей выбор рабочей температуры на уровне 550°С устранит явление хладноломкости.в области температур первой стенки ТЯР. Остается, однако, неясным вопрос с том, что будет с материалоги во время остановки реактора при расхолакивании материала в область

оимооти прироста предела текучести от флюенса материалы могут быть разделены на три гишпы: I) для никеля и сплавов с содерка-нием никеля 40-80 % рост упрочнения не прекращается; 2) некоторые типы сталей имеет тенденцию к насыщению (начиная с флюенса 10 нейтр/см, упрочнение изменяется слабо); 3) для некоторых сталей кривые упрочнения проходят через максимум вблизи 10 нейтр/см, но не спадают дс нуля вплоть дс 10 нейтр/см.

Характерными чертами низкотемпературного охрупчивания являются: I) спад равномерного и стнссительного удлинения с флюен-сом до величины в несколько процентов; 2) разрушение образцов по телу зерна; 3) возможность частичного или значительного откига упрочнения или охрупчивания (если для материала не характерце явление высокотемпературного охрупчивания или другого механизма); 4) вероятная независимость ст наличия в материале имплантированного и распределенного в объеме зерна гелия (по крайней мере, для сталей ферригнсгс и ферригно-мартенсигного классов).

Последнее обстоятельство существенно для термоядерного материаловедения, так как в материалах ТЯР нейтроны с энергией 14 МэВ интенсивно производят гелий по реакции ( rt , oi ),

Высокотемпературное радиационное схрупчивание (ВТРО). Облучение некоторых материалов приводит к явлению характерней потери пластичности, называемому высокотемпературным радиационным схруп-чиванием или гелиевым схрупчиванием в заниоимости ст точки зрения на природу этого явления.

Характерные признаки ВТРО: I) после облучения температурный ход пластичности имеет резкий провал при температурах > 0,5 ( Т„д - температура плавления) дс величин равномерного удлинения меньших I %; 2) отжиг усугубляет ВТРО; 3) разрушение образцов происходит по границам зерен; 4) эффект ВТРО проявляется только у поликрисгаллических материалов. У монокристаллов он не набладается, что говорит с связи явления с зернограничными процессами.

Типичными представителями материалов, испытывающих ВТРО, являются аустенитные нержавеющие стали и никель, для которых оно^ происходит при температурах больше 600°С и флюенсах больше ю' нейтр/см и около 10 нейтр/см соответственно. Легирование аустенитных нержавеющих сталей и никелевых сплавов (например, Мо, Nb , В ) в значительной мере подавляет эффект ВТРО.

В более чистых по примесям ( С , S , Р и др.) мегаллйх и сплавах схрупчивание проявляется в меньшей степени.