Диффузионные параметры водорода (водородопроницаемость, коэффициент диффузии, растворимость) в некоторых конструкционных материалах для атомной и термоядерной энергетики

• Автор: Виноградова, Наталья Александровна
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 90 с. : ил.

Содержание
Введение

Глава 1. Литературный обзор. Постановка цели и задач исследования

1.1. Вводные замечания

1.2. Некоторые аспекты взаимодействия водорода с металлами

1.3. Электронная структура примесного водородного центра в металлах

1.4. Диффузия и растворимость водорода

1.4.1. Локализация водорода в ГЦК и ОЦК металлах

2.4.2. Механизм диффузии водорода в ГЦК и ОЦК металлах

1.4.3. Изотопная зависимость

1.5. Водородопроницаемость и растворимость водорода

1.5.1. Растворимость водорода в реальных металлах
1.5.2. Водородопроницаемость чистых металлов
1.5.3. Водородопроницаемость железа и растворимость водорода в железе
1.5.4. Водородопроницаемость сталей
1.5.5. Процессы атомного упорядочения и особенности изменения физико-механических
свойств сплавов
Глава2. Установки и методики исследования диффузионных параметров
водорода в металлах
2.1 Вводные замечания
2.2 Аппаратура для определения водородопроницаемости металлов
методом Дайнера-Бэррера
2.2.1. Аппаратура для измерения потока водорода
2.2.2. Измерение коэффициента диффузии методом проникания
2.3. Установка для измерения удельного электросопротивления и термо-ЭДС металлов
2.3.1. Определение коэффициента диффузии водорода методом электропроводности
2.4. Методика измерения модуля Юнга и плотности металлов
2.5. Аппаратура для рентгеноструктурных исследований
Глава 3. Оценка активационных характеристик разработанных малоактивируемых
сталей и исследование их физико-механических свойств
3.1. Разработка малоактивируемых материалов
3.2. Изучение активационных характеристик и масс-спектрометрический анализ
исследуемых сталей
3.3. Механических свойства стали Х12Г20В
3.4. Механические свойства стали 10Х9ВФА
Глава 4. Исследование диффузионных параметров водорода в сталях Х12Г20В
и 10Х9ВФА
4.1. Влияние легирования на диффузионные параметры водорода
в малоактивируемой стали X12Г20В
4.1.1 Введение
4.1.3. Результаты и обсуждение
4.1.4. Исследование структурных изменений, происходящих в стали XI2Г20В
после обработки в водороде
4.2. Влияние водородной обработки на структуру, фазовую стабильность и водородную
проницаемость малоактивируемой ферритной стали 10Х9ВФА
4.2.1. Материал и методики исследования
4.2.2. Диффузионные параметры водорода для стали 10Х9ВФА
4.2.3. Исследование температурой зависимости электросопротивления для стали 10Х9ВФА
4.3. Исследование проницаемости водорода через сварные швы стали 10Х9ВФА
4.4. Оценка проницаемости трития в исследованных сталях
Основные выводы
Литература
Введение
Изучению взаимодействия водорода со сталями посвящено большое количество исследований как материаловедческого, так и фундаментального плана. Это вызвано тем, что водород, проникающий в металл во время плавки, разливки и различных химических, электрохимических, газоразрядных и ядерных процессов, является одной из важнейших причин ухудшения эксплуатационных характеристик материала. Снижение пластических свойств материалов (водородная хрупкость), раковины, пузыри, трещины и другие макроскопические несовершенства структуры — способствуют быстрому разрушению изделий, контактирующих с водородом.
Основными проблемами конструкционных и функциональных материалов, и в частности сталей, является изменение свойств под действием водорода и их водородопроницаемость.
Наиболее существенное влияние на механические свойства сталей водород оказывает в атомной и термоядерной энергетике, где водород и его изотопы, дейтерий и тритий, являются ■ продуктами ядерных реакций (атомная энергетика) или непосредственно участвуют в процессе производства энергии — термоядерный синтез. Проблема усложняется тем, что стали используются в элементах конструкций, работающих в нейтронных радиационных полях. Наличие этих полей приводит к многочисленным ядерным реакциям в материале, в том числе с легирующими элементами и примесями, наработке водорода и его изотопов — дейтерия и трития, радиолизу воды, с образованием атомарного водорода, вызывает радиационные изменения структуры и фазового состава сталей. Кроме того, газообразные примеси (водород, гелий), образующиеся в результате ядерных реакций в материалах, вызывают гелиевое охрупчивание, водородную хрупкость и газовое распухание.
В термоядерной энергетике водород и его изотопы могут попадать в конструкционные элементы плазменных камер непосредственно из высокотемпературной плазмы. Следствием этих процессов является не только изменение физико-химических свойств сталей за счет растворения в них водорода, но и увеличение их водородопроницаемости из-за радиационных дефектов вводимых нейтронным излучением.
Поэтому одной из ключевых проблем атомной и термоядерной энергетики является сведение к минимуму водородопроницаемости и водородовыделения конструкционных сталей (как в период эксплуатации, так и после — во время утилизации). Особенно это относится к радиактивному изотопу водорода—тритию.
В космической технике водород используется как топливо в ракетных системах, где может влиять на конструкционную прочность различных частей двигательной системы ракеты. Поэтому водородопроницаемость материала конструкций топливных носителей, а также сварных и паяных швов этих конструкций, актуальная проблема.
Кроме того, приходится учитывать возможное изменение свойств конструкционных сталей летательных аппаратов под воздействием солнечной водородной плазмы (солнечного * ветра).

При разработке материалов для хранения, транспортировки и очистки водорода, с целью уменьшения его потерь, необходимо обеспечение минимальной водородопроницаемости этих материалов.
В настоящее время активно проводятся исследования по применению водорода как топлива для наиболее экологически чистых транспортных средств различного назначения.
Несмотря на та, что проблема влияния водорода на физические и физико-химические свойства сталей изучалась в течение примерно ста лет, многие вопросы остались не решенными. Возникли новые отрасли промышленности и энергетики, а вместе с ними новые направления в использовании сталей с жесткими условиями эксплуатации и повышенными критериями безопасности, которые предъявляют свои особые требования к конструкционным материалам. Разрабатываются конструкционные материалы нового поколения для атомной и термоядерной энергетики — малоактивируемые стали и сплавы. Эти стали характеризуются существенно меньшим временем спада наведенной активности, получаемой материалом в процессе облучения в условиях работы атомного или термоядерного реакторов, до безопасного уровня.
Первые аустенитные и ферритные стали этого класса были созданы в Институте металлургии и материаловедения РАН в сотрудничестве с рядом отраслевых институтов в 80-х годах прошлого века, по Международной программе создания международного термоядерного реактора.
В представленной работе исследуются диффузионные параметры водорода и его изотопов в малоактивируемых сталях, предназначенных для термоядерной и атомной энергетики.
Цель работы
Цель работы состояла в экспериментальном исследовании диффузионных параметров водорода (водородопроницаемости, коэффициента диффузии и растворимости) в малоактивируемых конструкционных сталях аустенитного и феррито-мартенситного класса, разработанных в Институте металлургии и материаловедения им.А.А.Байкова РАН, совместно с НИИАР, ЦНИИТМАШ.
Поставленная цель достигалась в результате решения следующих задач:
1. Измерение физико-механических свойств и оценка экологического преимущества разработанных малоактивируемых сталей в сравнении со сталями прототипами.
2. Определение водородопроницаемости, коэффициента диффузии и растворимости водорода в сталях аустенитного и феррито-мартенситного класса.
3. Исследование влияния легирования на диффузионные параметры водорода в стали Х12Г20В.

1173 973 773 673 <Д
Рис.21. Изменение водородопроницаемости стали 12Х18Н10Т в зависимости от давления водорода [54]. 1 — 2-Ю4 Па, 2 — 5-Ю4 Па, 3 — 1-Ю5 Па, 4 — 0,5 Па.
773 673 623 523 473 423 373 К
Рис.22. Зависимость коэффициента диффузии водорода (после отжига 200 ч) и дейтерия для стали Р82Н (—при 373-523 К, при 633-723 К).
773 673 623 523 473 423 373 К
Рис.23. Температурная зависимость проницаемости для водорода и дейтерия в стали Р82Н.