СПОСОБ ПОДГОТОВКИ МАТЕРИАЛОВ, ПРЕИМУЩЕСТВЕННО НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ, К ИСПОЛЬЗОВАНИЮ В НЕЙТРОННЫХ ПОЛЯХ Российский патент 1998 года по МПК G21C21/02 

Изобретение относится к способом технологической обработки материалов, предназначенных для использования в активной зоне атомных реакторов.

При работе материалов в активной зоне атомных реакторов характерным является увеличение размеров деталей, т.е. уменьшение плотности материалов. Наиболее значительными являются три причины распухания: изменение характера сил связи между атомами (в том числе и приводящие к изменению кристаллической структуры) - примеры: BeO увеличивает объем на 16%, алмаз - на 50%, GdAlO₃ - на 6% (В.М. Косенков. Рентгенодифракционные эффекты и распухание некоторых неметаллических материалов после нейтронного облучения. Радиационное материаловедение. T.7. Труды Международной конференции по радиационному материаловедению. Алушта, май 1990, ХФТИ, Харьков, 1990, с. 86-91); возникновение вакансий пористости - пример: нержавеющая сталь, увеличение на 20% (C. Cawthorue, E.J.Fulton. Voids in irradiated stainloss steel. Nature, 216 (1966), N 5115, р.575); образование газовых пузырей - пример: B₄C, увеличение объема на 40% (М.С. Коваленко В.В., Огородников. Радиационное повреждение материалов отражателя. М.: Атомиздат, 1979).

В результате этих явлений нарушается возможность нормального обслуживания реактора, лопаются защитные стальные оболочки элементов с поглощающими (B₄C) и отражающими (BeO) материалами.

Разрабатывались приемы борьбы с распуханием различных материалов. Известен способ подготовки реакторных материалов, заключающийся в получении кристаллической структуры, более устойчивой к действию нейтронного облучения. Титанат диспрозия, использующийся в качестве поглотителя, обладая равновесной структурой типа пирохлора, в результате облучения переходит в структуру типа флюорита с увеличение объема более, чем на 4%. Подготовка материала заключается в том, что его предварительно облучают в потоке быстрых нейтронов, которые не изменяют поглощающей способности диспрозия, до флюенса, когда происходит переход в структуру флюорита. При последующем применении в атомном реакторе объем титаната диспрозия увеличивается не более, чем на 0,5% [1].

Недостатки этого способа:
не все вещества способны менять структуру под действием облучения;
наведенная радиоактивность материала увеличивает технологические трудности его дальнейшего применения;
значительные методические ограничения в реализации данного способа.

Известен способ повышения радиационной стойкости нержавеющих сталей путем их холодной деформации на 20 - 30% [2]. Возникающие при деформации дислокации и другие искажения структуры воздействуют на динамику накопления и агрегации точечных дефектов, возникающих при облучении, что и приводит к уменьшению распухания.

Недостатком этого способа является ограниченная область его применения только к пластически деформируемым материалам (металлам).

Таким образом, перед создателями и эксплуатационниками объектов атомной техники всегда стояла и стоит задача - снижение распухания используемых материалов от нейтронного воздействия.

Задачей настоящего изобретения является повышение радиационной стойкости материалов, используемых в полях. Достигается это тем, что для подготовки к использованию в нейтронных полях материалы подвергаются ударно-волновому воздействию взрывом, приводящему к их деформации. При подготовке преимущественно неметаллических материалов их подвергают ударно-волновому воздействию, генерируемому взрывчатыми веществами с амплитудой давления P в диапазоне 1 ГПа <P≤ 100 ГПа. Полностью характеристика искаженной структуры после взрывного воздействия не изучена ни на одном веществе. Отмечается, например, увеличение на несколько порядков концентрации точечных дефектов, дислокаций и измельчение до размеров части 40^o Ударные волны и явления высокоскоростной деформации металлов, под ред. Мейерса М.А., Мурор Л.Е., Металлургия, 1984, стр. 512; Бацанов С.С., Мороз Э.М., Кузютин В.П. Действие взрыва на вещества, Журнал структурной химии, 1970, т.II, вып. 1, стр. 156; Ададуров Г.А., Гольданский В.Н. "Успехи химии, 1981, т. 50, стр. 1810).

Из общих соображений понятно, что каждая лишняя дислокация или любое другое образование, являющееся стоком для первичных радиационных дефектов, снижает величину распухания.

В результате применения заявляемого способа в материале образуются большие концентрации дефектов кристаллической структуры, которые влияют на динамику первичных радиационных дефектов: вакансий и смещенных атомов. Являясь стоками для первичных дефектов, искажения структуры, образование заявляемым способом обработки материала, исключают их из процесса образования вторичных дефектов - скоплений дефектов различного вида, что приводит к снижению величины распухания материалов по сравнению с распуханием тех их материалов, не прошедших заявляемой обработки.

Пример реализации предлагаемого способа.

Было выбрано четыре керамических вещества, относящиеся к различным классам по их кристаллическим особенностям. Алюминат гадолиния (GdAlO₃) и титанат гадолиния (Gd₂Ti₂O₇) относятся к веществам с температурными фазовыми переходами типа смещения. Нитрид алюминия (AlN) и оксид цинка (ZnO) относятся к веществам с температурными фазовыми переходами реконструктивного типа. Эти два типа веществ имеют различные механизмы радиационного повреждения кристаллических решеток. GdAlO₃ и Gd₂Ti₂O₇ рассматривались в качестве поглощающих композиций, AlN употребляется в магнитных датчиках, работающих в нейтронных полях термоядерного реактора, ZnO является аналогом по кристалло-химическому строению оксида бериллия (BeO) и имеет с ним одинаковые эффекты радиационного повреждения (В.М. Косенков. Рентгенографическое исследование радиационных повреждений в окиси бериллия и некоторых других соединениях с решеткой вюрцита. Диссертация. Мелекесс, 1968).

В рамках поставленной задачи исходные образцы были подвергнуты ударно-волновому воздействию, генерируемому взрывчатыми веществами с амплитудой импульса 1 - 23 ГПа.

Затем взорванные материалы вместе с исходными были облучены в реакторе СМ-2 до флюенса 1•10²¹ н/см² при температуре 100^oC. Результаты исследования показали, что после обработки взрывом с амплитудой давления в импульсе 1 ГПа распухание взорванных материалов в пределах чувствительности измерений рентгеновского дифрактометра не отличимо от распухания исходных материалов. В то же время после обработки взрывом с амплитудой давления 23 ГПа распухание GdAlO₃ составило 73% от распухания исходного материала, Gd₂Ti₂O₇ - 71%, AlN - 38%, а ZnO - 24 %.

Таким образом, налицо значимое уменьшение решеточного распухания керамических материалов, прошедших обработку взрывной волной.

Введение обработки взрывом в технологию подготовки реакторных материалов, испытывающих значительное распухание в результате облучения, позволит уменьшить величину распухания, что уменьшит нагрузку на оболочку поглощающих и др. элементов активной зоны, предотвратит выход их из строя от потери герметичности оболочки, чем увеличит ресурс работы соответствующих элементов и узлов активных зон, повысит безопасность ядерных реакторов. Поскольку многие материалы активных зон используются в виде порошка, насыпаемого в металлические оболочки (BeO, B₄C, GdAlO₃), применение предлагаемого способа не приведет к удорожанию последующих технологических операций подготовки взорванных материалов к использованию в атомных реакторах. Для каждого конкретного материала давление в амплитуде импульса взрыва должно выбираться из соображений допустимых величин распухания и экономических аспектов из интервала 1-100 ГПа (100 ГПа - практически достижимая сегодня величина давления).

Изобретение относится к способам технологической обработки материалов, предназначенных для использования в активной зоне атомных реакторов. Подготовку преимущественно неметаллических материалов к использованию в нейтронных полях осуществляют ударно-волновым воздействием, генерируемым взрывчатыми веществами. Амплитуда давление P при воздействии выбирается в диапазоне: 1 ГПа < P ≤100 ГПа.

Способ подготовки материалов к использованию в нейтронных полях, включающий воздействие на материалы, приводящее к их деформации, отличающийся тем, что при подготовке преимущественно неметаллических материалов их подвергают ударно-волновому воздействию, генерируемому взрывчатыми веществами, с амплитудой давления P в диапазоне 1 ГПа < P ≤ 100 ГПа.