Закономерности поведения гелия и водорода в сплавах ванадия с титаном, хромом и железом

• Автор: Стальцов, Максим Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 121 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
1. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ЯДЕРНЫХ
И ТЕРМОЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ
1.1. Каналы накопление гелия и водорода в реакторных
конструкционных материалах
1.2. Малоактивируемые конструкционные материалы для ядерной
и термоядерной энергетики
1.3. Сплавы на основе ванадия для ядерных и термоядерных
реакторов
1.3.1. Активация ванадиевых еплавов при нейтронном облучении
1.3.2. Особенности легирования ванадия и механические свойства
сплавов
1.3.3. Радиационная стойкость ванадия и его сплавов
1.4. Гелий и водород в ванадии и его сплавах
1.5. Аномалии изменения физико-мехаиических свойств
в системе У-П
1.6. Выводы по разделу
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1. Материалы и приготовление образцов
2.2. Облучение образцов
2.3. Термодесорбционные исследования
2.4. Определение содержания водорода
2.5. Измерение внзпреннего трения
2.6. Измерение микротвердости
2.7. Рентгенографическое исследование
2.в. Приготовление тонких фолы для просвечивающей
электронной микроскопии
2.9. Электронно-микроскопическое исследование
3. ИСХОДНАЯ СТРУКТУРА ВАНАДИЕВЫХ СПЛАВОВ
3.1. Исходная микроструктура сплавов

3.2. Внутреннее трение сплавов V-Ti
3.2.1. Исходные сплавы
3.2.2 Сплавы, облученные ионами гелия при 20 °С
3.3. Микротвердость сплавов ванадия
3.4. Обсуждение результатов
3.4.1. Физическая модель, объясняющая аномальное изменение
механических свойств в системе V-Ti
3.4.2. Физическая модель поведения гелия в сплавах V-Ti
3.5. Выводы по раздел}'
4. МИКРОСТРУКТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
4.1. Микроструктура сплавов, имплантированных гелием
при 650 °С
4.1.1. Сплавы V-Ti и V-4%Ti-4%Cr
4.1.2. Сплавы V-Fe
4.2. Микроструктура сплавов, последовательно
имплантированных ионами гелия и водорода
4.3. Обсуждение результатов
4.4. Выводы по разделу
5. ТЕРМОДЕСОРБЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
ВЫДЕЛЕНИЯ ГЕЛИЯ ИЗ СПЛАВОВ ВАНАДИЯ
5.1. Сплавы, имплантированные гелием при 20 °С
5.2. Сплавы, имплантированные гелием при 650 °С
5.3. Удержание водорода сплавами ванадия
5.4. Обсуждение результатов
5.4.1. Облучение при комнатной температуре
5.4.2 Облучение при 650°С
5.4.3 Удержание водорода
5.5. Выводы по разделу
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы
В связи с исчерпанием доступных запасов углеводородного сырья в XXI веке наряд}' с дальнейшим развитием ядерной энергетики рассматривается освоение энергии синтеза легких ядер - к середине или во второй половине века предполагается введение в строй первых термоядерных ректоров (ТЯР).
Конструкционные материалы реакторов синтеза рассчитаны на длительную эксплуатацию под воздействием высоких температур, интенсивных потоков различных частиц, высоких напряжений, коррозионных сред. Облучение нейтронами вызывает наработку атомов трансмутационных газов посредством различных ядер-ных реакций. Кроме того, в конструкционные материалы первой стенки и бланкета ТЯР гелий и водород будут внедряться непосредственно излучением из плазмы, а также гелий может нарабатываться за счет поглощения трития, который является Р-радиоакгивным изотопом и с периодом полураспада немногим более 12 лет превращается в изотоп гелия 3Не. Все это существенно может ухудшить служебные свойства конструкционных материалов.
Влияние гелия я водорода и их совместное влияние на свойства конструкционных материалов ядерных и термоядерных реакторов стало особой проблемой физики радиационных повреждений и радиационного материаловедения. Это привело к интенсивному изучению поведения гелия и водорода в различных металлах и сплавах. Исследования поведения гелия и водорода в материалах в большей степени связаны с проблемами термоядерного реактора, поскольку скорость накопления этих газов в конструкционных материалах реакторов синтеза значительно выше, чем в реакторах деления.
Наряду с требованиями жаропрочности, радиационной и коррозионной стойкости немаловажную роль для выбора конструкционных материалов ядерных и термоядерных реакторов играет спад наведенной радиоактивности, то есть создание материалов с быстрым спадом активности. В связи с этим одним из перспективных направлений считается разработка и использование конструкционных материалов на основе ванадия, поскольку в соответствии с расчетами ванадий счита-

поскольку в комплексе остается кристаллическая реше тка металла и нет контраста, характерного для пузырьков и пор, внутри которых решетка отсутствует.
В ванадии, по сравнению с ГЦК металлами, высокая энергии образования

междоузельного гелия Е Не (4,61 эВ [73, 74]), достаточно низкая энергия активации миграции в междоузельном положении £тНе (0,13 эВ [74]) и высокая энергия связи с вакансией ЕЬцеу (около 3 эВ [74, 75]).
Энергия связи атома гелия в вакансионном кластере уменьшается с возрастанием числа атомов газа, но повышается при возрастании количества вакансий. Наиболее стабильны кластеры с примерно одинаковым содержанием атомов гелия и вакансий [71]. Момент образования зародыша кластеров и их концентрация исключительно чувствительны к энергии миграции гелия £тне- При малом значении ЕтНс образуются преимущественно смешанные кластеры (т « п), при большом -доминируют кластеры, обогащенные гелием. При этом даже небольшие добавки примесей внедрения, таких как С, О, N. могут серьезно влиять на образование зародышей и характер роста скоплений дефектов в металлах. Например, расчеты взаимодействия Не с атомами С показали [76], что кластеры атомов углерода в а-Бе и, возможно, в-других металлах, могут быть центрами зарождения кластеров атомов гелия и энергия связи атомов газа с кластером С„ возрастает монотонно с увеличением числа атомов углерода. Так, энергия связи комплекса Не-СУ (Еь = 3,12 эВ) лишь ненамного меньше энергии связи Не-У (Еь = 3,75 эВ), т.е. в материалах наряду с кластерами типа Не,,, И, вполне могут существовать сложные комплексы, включающие также и атомы легирующих элементов и примесей.
Недавно японскими исследователями методом ТДС было изучено образование различных комплексов в ванадии после облучения ионами гелия с энергией 1 кэВ до флюенсов МО16 и 3,2-1017 м'2 и идентифицированы комплексы (табл. 1.11) различного вида типа IIепгХУ„, где 25-примеси внедрения [77]. В спектре ТДС был обнаружен максимум, отвечающий за диссоциацию комплексов типа НетУН„, то есть азот, как и кислород, может влиять на образование гелий-вакансионных комплексов
О распаде комплексов при нагреве можно судить по данным изучения внутреннего трения сплавов. Но, к сожалению, нет работ по изучению внутреннего тре-