Исследование структуры и свойств графитовых композитов для конвертора нейтронной мишени

• Автор: Жмуриков, Евгений Изотович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 137 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ДИНАМИКЕ РАЗРУШЕНИЯ. ПРОЧНОСТЬ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ГРАФИТОВЫХ КОМПОЗИТОВ.

1.1. Основные представления о динамике разрушения

1.1.1 Структурно-аналитическая теория прочности

1.1.2 Физическая мезомеханика

1.1.3 Нелинейная динамика теории прочности

1.1.4 Кинетическая концепция прочности

1.1.5 Двухстадийная модель разрушения твёрдых тел

1.2 Структурные и электрофизические свойства мелкозернистых плотных графитов

1.2.1 Кристаллическая решётка графита
1.2.2 Рентгенодифракционные методы исследования поликристаллических графитов
1.2.3 Дефекты структуры в графите. Типы дефектов
1.2.4 Электронная структура, электрические и тепловые свойства поликристаллического графита
1.2.5 Технологические аспекты получения высокопрочных искусственных графитов
1.2.6 Изменение свойств конструкционного графита при облучении.
Оценка работоспособности графита в кладках уран-графитовых реакторов
1.3 Постановка задачи исследования
2. ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ УГЛЕРОДНЫХ КОМПОЗИТОВ ДЛЯ КОНВЕРТОРА НЕЙТРОННОЙ МИШЕНИ.
2.1. Методы высокотемпературных испытаний
2.1.1 Испытание под действием электронного пучка
2.1.2 Экспериментальная установка для тестов электронным пучком
2.1.3 Испытание углеродных композитов прогревом переменным током до высоких температур
2.2. Методические ошибки при высокотемпературных испытаниях углеродных композитов
2.2.1 Спектральный коэффициент излучения
2.2.2 Систематические ошибки при измерении температуры
2.3. Выводы к разделу
3. ПРОГНОЗ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ НЕЙТРОННОЙ МИШЕНИ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ КОМПОЗИТОВ.
3.1. Образцы
3.2. Рентгенографические измерения
3.3. Электронно-микроскопические съемки
3.4. Влияние мезоструктуры на прочность и долговечность графитового композита
3.5. Межкристаллитная фаза графитового композита по данным рентгенографии и электрофизических измерений
3.6. Интеркристаллитное разрушение
3.7. Выводы к разделу
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОЙ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ
КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ИЗОТОПА УГЛЕРОДА 13С.
4.1. Нейтронная мишень из углеродного композита на основе 13С
4.2. Технология изготовления образцов углеродного композита на основе изотопа ,3С
4.3. Рентгенография и высокоразрешающая микроскопия углеродного композита на основе ,3С

4.3.1 Рентгенодифракционные профили порошка изотопа С и композита на его основе
4.3.2 Просвечивающая электронная микроскопия
4.4. Исследования электронной структуры углеродного композита на основе 13С методами рентгеновской флуоресцентной спектроскопии и квантовохимического моделирования
4.5. Электрофизические измерения
4.6. Выводы к разделу
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА..
ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность. В ИЯФ СО РАН в рамках сотрудничества между ИЯФ, ШРИ-ОУБ (Леньяро, Италия) и ВНИИТФ (Снежинск) был предложен и в течение ряда лет разрабатывался мишенный комплекс для проекта 8РБ8, важнейшей частью которого является нейтронная мишень [1]. Нейтронная мишень представляет собой вращающийся несущий металлический диск с закрепленным на нем конвертором. Конвертор был набран из пластин, изготовленных из мелкозернистого высокопрочного графита класса МПГ (для дейтонного пучка) или специально изготовленного углерод-углеродного композита с повышенным содержанием изотопа 13С. Основная идея, на которой основывается предложенная схема - охлаждение конвертора мишени собственным тепловым излучением. Мишень была разработана, исходя из следующих параметров пучка: энергия первичного пучка 40 МэВ, диаметр пучка около 1 см, рассеиваемая мощность в пятне до 150 кВт в динамическом режиме.
Следует сказать, что выбор графита в качестве материала для графитовой мишени глубоко не случаен, поскольку именно графит обладает тем уникальным набором качеств, которые делают его незаменимым для задач ядерной физики и энергетики. К таким особенностям, прежде всего, относится малое эффективное сечение а фотоядерных реакций для углерода в области гигантского резонанса, связанного с возбуждением у-квантами собственных колебаний протонов относительно нейтронов (дипольные колебания). Нуклоны могут покидать ядро не только в процессе дипольных колебаний, но и после их затухания.
Природный углерод — это смесь двух стабильных изотопов: 12С (98,892%) и 13С (1,108 %). Из четырех радиоактивных изотопов (10С,ПС,14С и 15С) долгоживущим является только изотоп 14С с периодом полураспада 5730 лет Щ. Это чистый низкоэнергетический 13-излучатель с максимальной энергией частиц 156 кэВ относится к числу глобальных радионуклидов, однако радиационный порог образования этого радиоизотопа достаточно

и проявляется как изгиб системы графитовых плоскостей на определенный угол.
- Для гексагональной структуры графита с последовательностью упаковки слоев АВАВ существуют только два угла (48°18' и 35°12') истинного двойникования. В остальных случаях законы симметрии нарушаются, т.е. последовательность слоев слева и справа от границы раздела не сохраняется даже при симметричной границе наклона. Отсюда, наклонные границы кристаллов, симметричные и особенно несимметричные должны сопровождаться многочисленными разрывами связей и достаточно развитой системой краевых дислокаций.
- Существуют, кроме того, химические дефекты (включения инородных атомов в углеродную сетку) и дефекты, связанные со смещением атомов из своих нормальных положений в решетке. Так, в решётку графита могут встраиваться атомы О, 8, Эе, Ль, Ы, Р и другие. При этом можно ожидать, что атомы, находящиеся в периодической системе элементов левее углерода будут служить электронными акцепторами, а лежащие правее атомы окажутся донорами. В частности, атомы бора являются акцепторами, приводя к положительному температурному коэффициенту проводимости.
- Наконец, к слоевым дефектам относятся вакансии и их группы, это могут быть дефекты по Френкелю и по Шоттки, а также краевые и винтовые дислокации. Эти дефекты могут возникать, например, под действием нейтронного облучения. Под действием радиации атомы углерода смещаются из своих нормальных положений, образуя замыкающие цепи между углеродными макромолекулами. В сильно облучённых кристаллах графита может быть увеличено межплоскостное расстояние, это нарушение снимается отжигом при ~ 1500°С.
1.2.4 Электронная структура, электрические и тепловые свойства поликристаллического графита. Каждый атом углерода в графите имеет четыре валентных электрона, три из которых образуют прочные ковалентные с-связи в гексагональном графеновом слое. Оставшийся электрон остаётся в