Анализ поведения изотопов водорода и гелия в облученном нейтронами бериллии и их влияния на его структуру и свойства тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

РОССИЙСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР "КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ" ИНСТИТУТ РЕАКТОРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И МАТЕРИАЛОВ

На пЭДв^с р)0:$риси УДК 621.039.531

1 5 ДЕК 2ГЗСЗ

Андреев Денис Владимирович

Анализ поведения изотопов водорода и гелия в облученном нейтронами бериллии и их влияния на его структуру и свойства.

01.04.07 - физика твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2000

Работа выполнена в Институте Реакторных Технологий и Материалов РНЦ "Курчатовский Институт"

Научный руководитель доктор технических наук,

профессор Платонов П.А.

Официальные оппонентыЪо^иурМъХ* /X. МиФи

А £ п^с^ !АФК РАИ

Ведущая организация ГКС{ РФ яничн/У

Защита состоится "?(? " 0&_ 2000 г. в ч. на заседании

Диссертационного совета К-02 Московского Инженерно-физического Института по адресу: 115409 г. Москва, Каширское шоссе, д. 31,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского Инженерно-физического Института.

Автореферат разослан 2 ОВ~

Ученый секретарь ___

Диссертационного совета

Подписано в печать 11.04.2000. Формат 60x90/16 Печать офсетная. Усл. псч. л. 1,2 Тираж 75. Заказ 9

Отпечатано в РНЦ «Курчатовский институт» 123182, Москва, пл. Академика Курчатова

-ПЬ* Я -ГЛП АО _ / П

1. I. Общая характеристика работы.

Актуальность проблемы.

Изучение поведения изотопов водорода и гелия в облучённом нейтронами бериллии и их влияния на структуру и свойства материала в процессе облучения и/или отжигов после облучения представляет интерес в связи с широким использованием бериллия в атомной технике в качестве материала активной зоны исследовательских реакторов (отражателя и замедлителя), а также по причине планируемого использования бериллия в качестве материала защитных экранов первой стенки термоядерного реактора ITER и, возможно, размножителя нейтронов в тритийвоспроизводящем бланкете.

В обоих случаях увеличение ресурса бериллиевых элементов является важной задачей по экономическим соображениям из-за высокой стоимости бериллия и высокой стоимости проведения работ в активной зоне атомного реактора или в рабочей камере термоядерного реактора. В условиях атомного реактора лимитирующим фактором использования бериллиевых элементов являются их механические свойства и накопление 3Не в них в результате ядерных реакций. В условиях термоядерного реактора лимитирующим фактором являются только механические свойства защитных экранов.

Само по себе большое количество бериллия в строящемся реакторе ITER также ставит проблему утилизации отработанных экранов и, возможно, материала бланкета. Проблема усложняется тем, что перед переработкой элементов, выработавших свой ресурс, из них необходимо удалить накопившийся в процессе эксплуатации тритий.

Цель работы.

Целью работы был анализ поведения трития и изотопов гелия в облученном нейтронами бериллии, для определения их влияния на структуру и свойства бериллия в процессе облучения и отжигов различных режимов и длительности*. Для исследований использовался бериллий, облучённый при 100 °С в исследовательском реакторе MP до флюенса быстрых (Е>0.5 МэВ) нейтронов от 1х102' см'2 до 9x1021 см"2,

Далее по тексту автореферата диссертации, если специально не оговорено, имеется в виду только облучение нейтронами и приводятся значения флюенса быстрых нейтронов. Термин "облученный бериллий" подразумевает бериллий, облученный нейтронами. При указании значений флюенса по отношению к быстрым нейтронам слова "быстрые нейтроны" опускаются для краткости изложения.

Научная новизна.

В настоящей работе впервые проведено исследование образцов бериллия, облучавшихся при одинаковых условиях, целым комплексом материаловедческих методов, включавшим определение плотности, оптическую металлографию, рентгеноструктурный анализ, просвечивающую и сканирующую электронную микроскопию, вторичную ионную масс-спектрометрию, вакуумную экстракцию газов при нагреве образца.

Результаты исследований позволили:

• Впервые обнаружить формирование в бериллии при облучении двух отдельных одномерных решеток параллельных базисной плоскости: решетки пор(пузырей) и решетки дислокационных петель;

• Впервые выявить стадию ускоренного распухания бериллия при высоких температурах отжига в диапазоне 900-П100 °С;

• Объяснить причины сложного характера зависимости распухания от температуры отжига и наличие раздельных пиков взрывного недиффузионного выхода трития и гелия из облученного бериллия при нагреве.

• Обнаружить снижение значений температуры взрывного выхода трития и гелия из бериллия при увеличении скорости нагрева;

• Показать, что при циклическом изменении температуры в диапазоне от 150 до 700 °С и при скоростях нагрева/охлаждения до 10 °С/с основными факторами, влияющими на изменение структуры и свойств бериллиевых изделий и определяющими их ресурс при облучении нейтронами будут являться значение максимальной температуры и время выдержки материала при этой температуре.

• Экспериментально обосновать то, что детритизация облученного нейтронами бериллия методом термической экстракции эффективно протекает только при температурах выше 600 °С. При этом происходит деградация структуры материала. Такие структурные изменения могут проявляться в виде либо фрагментации образца (наблюдается только в узком интервале температур в районе 700 °С), либо в виде значительного распухания и образования системы открытой пористости при температуре выше 800 °С.

Защищаемые положения.

На защиту выносятся следующие основные положения диссертации.

• Формирование комплексов трансмутационных газов (трития и гелия) и радиационных дефектов происходит уже в процессе облучения бериллия при температуре 100 °С; при флюенсе быстрых нейтронов

9х1021 см"2 эти комплексы теряют когерентность с решеткой и могут рассматриваться как газонаполненные пузыри.

• Сложный характер зависимости распухания от температуры отжига и наличие раздельных пиков взрывного недиффузионного выхода трития и гелия из облученного бериллия при нагреве обусловлены большой разницей в диффузионной подвижности и растворимости трития и гелия в бериллии.

• При циклическом изменении температуры от 150 до 700 °С и при скоростях нагрева/охлаждения до 10 °С/с основными факторами, влияющими на изменение структуры и свойств бериллиевых изделий и определяющими их ресурс при облучении нейтронами будут являться значение максимальной температуры материала и время выдержки на ней.

• Детритизация облученного нейтронами бериллия методом термической экстракции эффективно протекает только при температурах выше 600 °С. При этом происходит деградация структуры материала. Такие структурные изменения могут проявляться в виде либо фрагментации образца (наблюдается только в узком интервале температур в районе 700 °С), либо в виде значительного распухания и образования системы открытой пористости при температуре детритизации выше 800 °С. Таким образом, применение отжига с целью удаления трития и гелия из облученного нейтронами бериллия и одновременного восстановления его механических и физических свойств представляется невозможным. Путем соответствующего подбора режимов отжига можно обеспечить термическую детритизацию бериллия с сохранением его механической сплошности.

Научная и практическая значимость работы.

Проведенные исследования позволили обнаружить ряд не наблюдавшихся ранее явлений (вторая стадия ускоренного распухания бериллия в области высоких температур, снижение значений температуры взрывного выхода трития и гелия при увеличении скорости нагрева, практически полное разрушение бериллия после отжига в определенном интервале температур, сопровождающееся образованием большого количества мелкодисперсной пыли).

Анализ представленных в диссертации результатов позволил выявить вероятные причины упомянутых явлений, а также экспериментально обосновать границы применимости послерадиационного отжига для детритизации облученного нейтронами бериллия и восстановления его свойств.

Апробация результатов работы.

Основные результаты исследований докладывались на следующих семинарах и конференциях:

2— International Workshop on Beryllium Technology for Fusion, Jackson Lake Lodge, Wyoming, USA, 6-8 September, 1995.

7- International Conference on Fusion Reactor Materials, Obninsc, Russia, 2728 September, 1995.

4- Int. Symposium on Fusion Nuclear Technology, Tokyo, Japan, 6-11 April, 1997.

Международный семинар "Потенциал Российских ядерных центров и МНТЦ в тритиевых технологиях", г. Саров, 17-21 мая 1999 г.

По теме диссертации написано 3 отчета, опубликовано 4 статьи, 1 препринт и тезисы 4 докладов.

Объём и структура работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка иллюстраций и библиографии. Диссертация изложена на 85 страницах машинописного текста (без оглавления, списка иллюстраций и библиографии), содержит 54 рисунка, 5 таблиц и список цитируемой литературы из 46 наименований.

II. Содержание работы.

Во Введении обосновывается актуальность работы, формулируются цели и основные задачи исследования, кратко описываются основные полученные результаты.

В Главе 1 дан краткий обзор основных областей использования бериллия в ядерной технике и проблем, связанных с этим. Приводится литературный обзор полученных ранее данных.

В Главе 2 приводится описание исследуемого материала и использованных экспериментальных методик.

В Главе 3 излагаются экспериментальные результаты, полученные при послерадиационном изучении бериллия, послерадиационных отжигах бериллия разных режимов и исследования кинетики выхода трития и гелия из бериллия при нагреве.

Глава 4 посвящена анализу полученных экспериментальных данных.

В Главе 5 описывается полученная на основании анализа экспериментальных данных картина поведения изотопов водорода и гелия в облученном нейтронами бериллии и их влияния на его свойства в процессе облучения и последующих отжигов.

В Заключении формулируются основные выводы, которые позволяет сделать анализ полученных экспериментальных результатов.

Для исследования использовались образцы горячепрессованного бериллия типа ТШГ-200 (Ве - 99 вес.%, О - 0,8 вес.%, С - 0,1 вес.%, Ре - 0,07 вес.%) вырезанные из стержня облученного в составе матрицы реактора МР . Температура стержня при облучении составляла 100 °С.

Распределение флюенса быстрых нейтронов, воздействовавших на бериллиевый стержень, экспериментально определялось методом у-сканирования. Флюенс быстрых нейтронов составил от 1х1021 до 9x1021 см .

Результаты измерения содержания трития в облученном бериллии методами жидкостной сцинтилляции и вакуумной экстракции показали (см.Табл. 1), что при растворении образцов в водном растворе гидрооксида натрия или серной кислоты в раствор переходит не более 4.5% трития от его исходного содержания, остальная же часть, по видимому, выделяется в молекулярном виде и улетучивается в атмосферу. Ранее подобное явление уже наблюдалось другими исследователями при растворении в растворе серной кислоты бериллия, имплантированного ионами трития и дейтерия с энергией около 100 эВ и бериллия, облученного нейтронами. При этом, в случае имплантированного бериллия, в растворе оставалось от 50 до 99 % трития, а в случае облученного нейтронами бериллия - не более 2 %. Этот эффект был объяснен тем, что из металлического бериллия тритий выделяется в виде Т" и рекомбинирует с ионами Н\ образуя молекулу НТ. Из-за низкой растворимости молекулярного водорода молекулы НТ улетучиваются из раствора. При растворении оксидной пленки тритий выделяется в виде ионов ОТ", которые рекомбинируя с ионами Н+ образуют тритиевую воду, которая остается в растворе кислоты.

Сравнение результатов полученных ранее и результатов данной работы приводит к заключению о том, что метод растворения проб бериллия без улавливания выделяющихся газов не пригоден для экспериментального определения накопления трития в облученном бериллии или бериллии, имплантированном тритием. Также обращает на себя внимание тот факт, что в случае нейтронного облучения в растворе остается значительно меньше трития, чем в случае ионной имплантации. Это может быть связано со следующими факторами:

• в случае имплантации в тонкие образцы бериллия отношение объемов

оксида бериллия и металлического бериллия значительно выше, чем в случае облучения нейтронами массивных образцов;

• после облучения нейтронами при температуре 50-И 00 °С тритий уже

формирует многоатомные комплексы, из которых при растворении бериллия выходит в молекулярном виде.

Табл. 1Содержание трития и изотопов гелия в облученном бериллии (концентрации трития и 3Не приведены на момент исследования, ЖСм.он и ЖСн,5о _ определение методом жидкостной сцинтилляции,

2 4

при растворении в р-ре №ОН и Ь^БО^ соответственно, ВЭ -определение методом вакуумной экстракции

Флюенс, см"г Метод Определения Концентрг 3Н щия накопленнь 3Не х газов, аррт 4Не

ЗхЮ21 Расчет 200 60 -

ЖСмаон 9 - -

ЖСн 80, 4 4 - -

ВЭ 370±70 44±9 1880±40

9x1021 Расчет 650 80 -

ЖСмаон 28 - -

ЖС,,^ 9 - -

ВЭ 790±150 95±20 4400±40

Удовлетворительное совпадение расчетных значений концентраций гелия и трития со значениями, полученными методом вакуумной экстракции, свидетельствует о том, что в процессе облучения не произошло потери трансмутационных газов из бериллия, то есть при температуре облучения 100°С диффузионная подвижность трития и гелия недостаточна для их выхода из бериллия.

Результаты определения параметров кристаллической решетки и измерения плотности бериллия показывают, что максимальное распухание, вызванное изменением объема элементарной ячейки кристаллической решетки (т.е. твердорастворное распухание), не превышает 0.2%, в то время как измеренное методом гидростатического взвешивания распухание значительно выше. Это подтверждает предложенную гипотезу о формирование в структуре бериллия многоатомных комплексов трития и радиационных дефектов непосредственно в процессе облучения при 100 °С.

Немонотонная зависимость параметров кристаллической решетки бериллия от флюенса нейтронов является дополнительным доказательством этого. То, что при максимальном флюенсе нейтронов параметры решетки приближаются к значениям для необлученного материала может служить доказательством начала формирования некогерентных с решеткой комплексов радиационных дефектов (вакансий) и накопленных атомов газовых примесей (трития и, возможно, гелия).

2.2890 -I

3.6920 -,

£ 2.2350 ■

а

3 2.2870 ■

2.2860 ■

£ 3.8880 — 1

| 3.8800-о.

; 3.8780 -

г.

>3

Т-1-1-1-1-1-1-Г

0.0 2.0 4.0 «.О 8.0 Флюенс нейтронов (Е>0.5МэВ)| хю11си'

I

10.0

3.8720

т-1-1-1-1-1-1-1-1-1

0.0 2.0 4.0 С.О 8.0 10.0 Флюенс нейтронов (Е>0.5МэВХ хЮ^'см'

•2

а) б)

Рис. 1 Зависимость параметров а (а) и с (б) кристаллической решетки бериллия от флюенса быстрых (Е>0.5 МэВ) нейтронов.

8.0 1.21 -I

0.0

1-1-1-'-1-'-Г

2.0 4.0 (.0 8.0 фдюенс нейтронов (Е>0-5 МэВ), ХЮ^'см"1 б)

"1-1-1-1-Г

0.0 2.0 4.0 8.0 Флюенс нейтронов (Е>0.5МзВХ хЮ^см"'

а)

Рис. 2 Зависимость объема элементарной ячейки кристаллической решетки (а) и распухания (б) бериллия от флюенса нейтронов.

Так как содержания технологического водорода и трития в бериллии близки, то следовало бы ожидать наличия гцпсов ЬГ и Т+ в спектре вторичных ионов с поверхности облученного нейтронами бериллия, но эксперимент показал отсутствие пика трития при наличии пика технологического водорода (Рис. 3). Отсутствие пика трития в спектре вторичных ионов является еще одним подтверждением того, что во время облучения, по крайней мере, тритий мигрирует в кристаллической решетке бериллия и формирует многоатомные комплексы из которых при распылении поверхности тритий выделяется в молекулярном виде, недетектируемом методом ВИМС.

Ё1200•

0 ч 111 111 ■ I ■ 11 гн 1 I и ' 1

0125*66785 10 11

т/е

Рис. 3 Спектр вторичных ионов с поверхности облученного

21 _2

бериллия (флюенс - 3x10 см ).

-е- 9'10 см* (ступенчатый отжиг) "В" 9-10"c-J ^ 3 .м»«1 (ступенчатый отжиг) Q 3 |1011см"1

I 10

5

1—Г-1 |—>—I—1—I—>—| 100 JOO too 700 МО 1100 Тевдериур» опт, *С

Рис. 4 Зависимость распухания облученного бериллия (флюенс ЗхМ21 и 9x10" см"2) от температуры отжига. Время отжига 5 часов. (р0 - плотность необлучённого бериллия).

И действительно, исследование методом просвечивающей электронной микроскопии позволило обнаружить в облученном бериллии одномерную решетку пор (наряду с отдельной решеткой дислокационных петель - Рис. 5). К сожалению, из-за малого размера этих пор (согласно оценкам 11^-5 А) и из-за специфических особенностей облученного нейтронами бериллия (хрупкость образцов и высокая плотность радиационных дефектов типа дислокационных петель) не удалось провести их детального исследования.

Основной вклад в распухание вносит формирование этих пор, так как величина распухания, рассчитанная по плотности и размеру пор хорошо совпадает со значением, полученным методом гидростатического взвешивания, в то время как величина распухания, связанного с изменением объема ячейки кристаллической решетки значительно меньше этих величин.

0002

100 им

0002

Т;. ,*■ - ■ ■ • - I " . 100им I

а) б)

Рис. 5 Структура бериллия, облученного флюенсом 9х1021 см'2 (одномерная решетка пор - а, одномерная решетка петель - б)

Ранее на кривой зависимости распухания облученного бериллия от температуры отжига были обнаружены три чётко выраженных участка. Первый участок характеризуется небольшими величинами распухания, второй - наибольшим темпом распухания в узком диапазоне температур и третий - промежуточными величинами распухания вплоть до максимальной температуры отжига (900 °С), использовавшейся при исследованиях.

В настоящей работе при более высоких температурах отжига (до 1100 °С) был обнаружен четвертый участок (900-г1100 °С), для которого характерна повышенная скорость распухания (Рис. 4).

Привлечение данных по газовыделению из облученного бериллия позволяет объяснить специфическое поведение облученного бериллия при отжигах. На Рис. 6 и Рис. 7 представлены зависимости распухания облученного бериллия при отжигах в сравнении с кривыми газовыделения при линейном нагреве для разных флюенсов нейтронов (скорость линейного нагрева в обоих случаях 0.17 °С/с). Хорошо видно, что в обоих случаях первая стадия ускоренного распухания связана с увеличением диффузионной подвижности трития и ростом заполненных тритием пузырей (в основном в местах структурных неоднородностей), следующая стадия с низкой скоростью распухания обусловлена взрывным выделением трития при температуре около 800 °С. Далее с ростом температуры возрастает диффузионная подвижность гелия, что порождает следующую стадию ускоренного распухания

9 >10 см (ступенчаты й о тки

Т 1 Г^—г

109 600 700 900 Температура огжиг и, "с

Рис. 6 Распухание облученного бериллия при отжигах в сравнении с кривыми газовыделения при линейном нагреве (флгоенс ЗхЮ21 см"2, скорость линейного нагрева 0.17 °С/с).

и—'—I—|—p-i—г 1 I

300 600 700 900 1100 Температура отжига, *С

Рис. 7 Распухание облученного бериллия при огжигах в сравнении с кривыми газовыделения: при линейном нагреве (флюенс 9х1021 см"2,

скорость 0.17 °С/с).

линеиного нагрева

Взрывной характер выхода трития и гелия из материала объясняется формированием открытой пористости в результате коалесценции пузырей и растрескивания, обусловленного ростом напряжений при распухании бериллия. Как показывают результаты исследования структуры методами просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии и оптической металлографии, сначала происходит рост пузырей на границах зерен, что способствует их ослаблению и растрескиванию при распухании (Рис. 8,Рис. 9). При этом происходит выход трития, который из-за большей диффузионной подвижности локализуется в наиболее глубоких ловушках, которыми и являются пузыри и трещины на границах ^ерен. После этого распухание замедляется, причиной чему служат полный выход трития из бериллия и недостаточная диффузионная подвижность гелия при температурах до 900 °С, а также, возможно, аккомодация распухания отдельных зерен зернограничными трещинами и пузырями. С дальнейшим ростом температуры отжига ускоряется рост гелиевых пузырей, увеличивается распухание и происходит дальнейшее формирование открытой пористости за счет коалесценции пузырей и растрескивания бериллия. При достаточно высокой температуре отжига происходит окончательная дегазация материала за счет выхода гелия из образца по полностью сформировавшейся системе открытой пористости, появление которой подтверждается результатами исследования методом сканирующей электронной микроскопии бериллия, облученного флюенсом 9x1021 см"2 и отожженного при разных режимах (последовательный отжиг при температурах от 300 до 1100 °С с выдержкой 5 часов на каждой температуре и однократный отжиг в течение 5 часов при 1100 °С).

Т

Г,"«

Г> А

т

дамгс

Рис. 8 Структура облученного бериллия (100 "С, 7x10й см"2) после отжига при 600 °С в течение 5 часов.

Рис. 9 Структура облучённого бериллия после отжига (флюенс 9х1021см"2, отжиг 715 °С, 5 часов).

L >

и

•.»

' V-

З&г-

».,»

'V

* t« <

-т—--w - " • J« ».//>

' fereA ------ ifei^h.

*' I

' *'»;v * I \

3r *t

< ' Л *

f -1- '-Щ- >

«V '

. - \ <. « v

i

1 . !

г

u Mt, !■

\ . i t ч "

* i V :

»'S

V'

* • . .V v Mxi

, < * ■'vi '• • '

' ''•'-"^lT»''' •

Рис. 10 Поперечное сечение приповерхностного слоя образца облученного бериллия (флюенс 9х1021 см*2, температура 100 °С) после однократного отжига при 1100 °С в течение 5 часов.

Рис. 11 Поперечное сечение приповерхностного слоя образца облученного бериллия (флюенс 9хЮ21 см"2, температура 100 °С) после отжига при 1100 "С в течение 5 часов в случае предшествующих отжигов при более низких температурах.

Циклическое термонагружение материалов, особенно обладающих ярко выраженной анизотропией физико-механических свойств, может приводить к появлению межзёренных трещин и даже к разрушению материалов при достаточно высоких скоростях нагрева и/или охлаждения. В случае отжигов облученного бериллия можно было бы ожидать дополнительного влияния термоциклирования на изменение свойств исследуемого материала. Тем не менее, разница в распухании бериллия после отжигов с циклическим изменением температуры (Рис. 12) и после изотермических отжигов либо отсутствует, либо весьма близка к погрешности измерения распухания (Рис. 13). Только после квазистационарного отжига по специально подобранному закону и после 100 циклов термоциклирования без выдержки на заданной максимальной температуре цикла разница уровней распухания была несколько выше, чем экспериментальная погрешность (Рис. 14).

100'

=. 500-Р

а.

5 400 .

N

н

1000 2000 3000 Время, с

800 1200 Гухмя, с

а)

б)

Рис. 12 Зависимость температуры от времени при термоциклировании образцов бериллия с выдержкой (а) и без выдержки (б) на заданной температуре.

Образцы отжигались при медленном увеличении температуры по специально подобранным законам, тем самым была сделана попытка исключения влияния резких изменений температуры на структуру и свойства бериллия. В этом случае время выдержки т(ДТ) в температурном интервале АТ была равна суммарному времени выдержи в этом же интервале АТ после N циклов отжига без выдержки на максимальной температуре.

^ з*]о"ст'2(без циклнрованяя) О 3*ю" сш"1 (с цитированием) 9*ю!1 сш"2 (без циклирования)

1—1—I—1—I—'—Г 20 40 со ао Количество циклов

а)

Рис. 13 Зависимость распухания облученного бериллия от количества циклов при термоциклировании с выдержкой на максимальной температуре. Максимальная температура цикла 600 °С -(а), 700 °С - (б).

Рис. 14 Зависимость распухания облученного бериллия(флюенс 9х1021 см"2.) от количества циклов при термоциклировании без выдержки на максимальной заданной температуре (700 °С).

После наиболее продолжительных циклических и изотермических отжигов при 700 °С произошло разрушение образцов бериллия, облучённых флюенсом 9x1021 см"2. Степень фрагментации разрушившихся образцов практически одинакова.

Необходимо отметить, что из анализа распределений по размерам блоков в разрушившихся образцах облученного бериллия и зерен в неотожженном образце следует, что, по-видимому, разрушение носило межзёренный характер и каждый блок состоит не более чем из 1-^3 зерен.

Причиной подобной фрагментации, вероятно, является рост в облученном бериллии внутренних напряжений за счёт газового распухания. Максимальный уровень этих напряжений достигается на границах зерен за счет неравномерного распухания отдельных зерен, обусловленного сильной анизотропией бериллия. Наблюдающийся рост пузырей на границах зёрен ведёт к их разупрочнению, и, таким образом, соьместное действие перечисленных факторов может приводить к межзеренному растрескиванию, вплоть до полного разрушения образцов бериллия облученного флюенсом 9x1021 см"2 и отожжённого при температуре 700 °С в течение примерно 27 часов (96400 с).

(а) (б)

Рис. 15 Относительное распределение по размерам блоков в образце облученного бериллия (флюенс 9х1021 см"2) после 110 циклов отжига при нагреве от 150 до 700 °С с выдержкой при максимальной температуре (а). Относительное распределение по размерам зерен в образце облученного бериллия (флюенс 9хЮ21 см"2) (б).

Как известно, при невысоких температурах основным механизмом пластической деформации бериллия является скольжение дислокаций, а выше некоторой критической температуры Т^, (обычно Т^бОО °С) пластическая деформация бериллия, в основном, обусловлена

диффузионными процессами (переползание дислокаций, диффузионная ползучесть типа Набарро-Херринга).

При нейтронном облучении подвижность дислокаций в бериллии значительно снижается из-за их взаимодействия с радиационными дефектами и образовавшимися атомами трития и гелия, поэтому следует ожидать, что в облучённом бериллии диффузионные процессы являются основным механизмом пластической деформации и релаксации напряжений, но их активация происходит только при достаточно высоких температурах.

То, что после отжига при 800 °С в течение тех же 27 часов образец бериллия, облучённый флюенсом 9x1021 см'2, сохранил механическую сплошность, в отличие от образцов, отожжённых при 700 °С, свидетельствует о том, что с ростом температуры скорость процессов релаксации напряжений превысила скорость роста напряжений за счёт газового распухания, кроме этого, при 800 °С диффузионная подвижность трития обеспечивает его быстрый выход из образца то есть тритий выходит из бериллия уже в первый момент отжига при 800 °С и формирование развитой системы пор на границах зерен, как в случае отжига при 700 °С, не происходит.

Таким образом, выполненные исследования показали, что отжиги облучённого бериллия при циклическом изменении температуры от 150 до 600 или 700 °С при максимальной скорости нагрева и охлаждения не выше 10 °С/с после 10-И 10 циклов не выявили существенных отличий в динамике изменения структуры и свойств бериллия по сравнению с отжигами в стационарных режимах при соответствующих температурах и временах (величина наблюдавшегося эффекта близка к экспериментальной погрешности).

Полученные результаты свидетельствуют о том, что при циклическом изменении температуры в указанных выше пределах (максимальная температура - 700 °С, максимальная скорость нагрева/охлаждения до 10 °С/с) основными факторами, влияющими на изменение структуры и свойств бериллиевых изделий и определяющими их ресурс при облучении нейтронами, по всей видимости, будут являться максимальная температура материала и время выдержки при ней.

Как было показано выделение трития и гелия из бериллия при нагреве по линейному закону носит недиффузионный взрывной характер. Подобное поведение объясняется коалесценцией газовых пузырей и последующим образованием открытой пористости, через которую и происходит выход трансмутационных газов. Существование двух раздельных пиков выхода трития и гелия обусловлено большой разницей в диффузионной подвижности трития и гелия, в результате чего при низких температурах отжига в первую

очередь растут пузыри, заполненные преимущественно тритием. Их преимущественный рост происходит в местах структурных неоднородностей, в основном на границах зерен, которые в первую очередь подвергаются разрушению при распухании бериллия. Дальнейший рост температуры ведет к ускоренному росту гелиевых пузырей, их коалесценции и окончательному формированию системы открытой пористости, по которой происходит выход гелия.

Наблюдаемое снижение температуры взрывного выхода газов при увеличении скорости нагрева (см. Табл. 2) может быть обусловлено тем, что при высоких скоростях нагрева в бериллии возникают термические напряжения, которые не успевают релаксировать и приводят к растрескиванию и разрушению образца, сопровождающемуся выходом накопленных газов.

Данное явление также можно объяснить, если учесть наличие в структуре бериллия после облучения газовых пузырей. При достаточно больших скоростях нагрева процесс роста пузырей, контролируемый, в основном, диффузионными процессами, является затрудненным из-за малого времени протекания нагрева. Тогда при быстром нагреве будет происходить увеличение давления в пузырях и, соответственно, в результате роста внутренних напряжений может происходить разрушение бериллия.

Табл. 2 Значения температур взрывного выхода трития и гелия при различных скоростях линейного нагрева образцов облученного бериллия.

Флюенс, см"2 Скорость нагрева, °С/с Температура взрывного выхода, °С

ЗхЮ2' 0.17 Трития Гелия

28 840 1220

91 660 1140

9х1021 0.17 470 820

28 760 1040

91 570 1040

430 480

Для проверки возможности существования предложенного механизма использовались полученные в работе данные по размерам и плотности пузырей в облученном бериллии. Для упрощения дальнейшего расчета

предполагалось, что эти пузыри заполнены только гелием и весь накопленный при облучении гелий находится в пузырях.

Использовать следующее уравнение состояния, выведенное в модели "жестких" сфер:

РУ 1 + У + . (1)

где: _

У =

1 + у + у2 - у3 СКу?

7rpd3 .

параметр упаковки,

р - плотность гелия,

с! - диаметр жестких сфер, зависящий от выбора потенциала межатомного взаимодействия, температуры и плотности гелия р.

Критическое давление в пузырях оценивалось по следующей формуле:

2у

Рсг = + ои.

где: у - поверхностная энергия; г - радиус пузыря; стц - предел прочности бериллия. Полученные расчетные результаты показаны на Рис. 1 б

(2)

R*U А

Я=15 А

Давление в гелиевых пузырях - - Кр}гомесхое дав!е1ше

soo

—I 1200

Темперзтура, °С

а)

С 4000 •

Ь RS18 А

С R=20 А

— Давление в гелиевых пузырях

----Критическое

давление

Температурз, °С б)

I

1200

БООО —

a R-16 А

2 ООО -

о

Рис. 16 Зависимость давления в гелиевых пузырях и критического давления (Р=2у/К+сти) от температуры, а) - содержание гелия 1880 аррт, б) - содержание гелия 4400 аррт.

Из представленных результатов видно, что в используемом приближении температура достижения критического давления в пузырях сильно зависит от размера пузырей.

Видно удовлетворительное совпадение полученных расчетным и экспериментальным путем значений температуры взрывного выхода трансмутационных газов.

Таким образом, проведенные оценки указывают на возможность существования предложенного механизма снижения температуры взрывного выхода трития и гелия из бериллия при увеличении скорости нагрева образцов. Кроме того, необходимо также учитывать позникающие при нагреве бериллия термические напряжения.

Проведенные исследования показали, что отжиг в течение 24 часов при температурах до 600 °С облученного флюенсом 9x1021 см"2 бериллия не приводит к его полной детритизации (см. Табл. 3). В случае отжига при 700°С полная детритизация бериллия наблюдается при времени отжига 27 часов (при этом происходит полное разрушение образцов бериллия, имеющее межзеренный характер), в случае отжига при температуре 800 °С в течение 27 часов также наблюдается полная детритизация бериллия, при этом образцы не разрушались, несмотря на значительное распухание.

Табл. 3 Содержание трития в облученном бериллии до и после отжигов.

Температура и Содержание Плотность

время отжига трития, аррш бериллия, г/см3

Неотожженный 785 1.816

600 °С, 24 ч 700 1.781

700 °С, 10 ч 90 1.608

700 °С, 27 ч 0 -

800 °С, 27 ч 0 -1.45

Таким образом, можно сделать вывод, что детритизация бериллия, облученного флюенсом нейтронов 9x1021 см"2, методом термической экстракции эффективно протекает только при повышенных температурах. При этом происходит деградация структуры материала. Структурные изменения могут проявляться в виде либо разрушения образца в случае отжига при 700 °С, либо в виде значительного распухания и образования системы открытой пористости при температуре детритизации выше 800 °С. Отжиги облученных образцов, не приводящие к глубоким изменениям

структуры, по-видимому, неспособны обеспечить достаточный уровень детритизации в силу высокой энергии связи трития с газовыми пузырями и низкого предела растворимости трития в бериллии.

Выводы.

Анализ результатов проведенных исследований бериллия, облученного в составе отражателя исследовательского реактора MP при температуре 100 °С до флюенса быстрых нейтронов (Е>0.5 МэВ) от 1 х 1021 до 9х1021 см"2, позволяет сделать следующие основные выводы:

• Формирование комплексов трансмутационных газов (трития и гелия) и радиационных дефектов происходит уже в процессе облучения бериллия при температуре 100 °С; при флюенсе быстрых нейтронов 9х1021 см'2 эти комплексы теряют когерентность с решеткой и могут рассматриваться как газонаполненные пузыри.

• Сложный характер зависимости распухания от температуры отжига и наличие раздельных пиков взрывного недиффузионного выхода трития и гелия из облученного бериллия при нагреве обусловлены большой разницей в диффузионной подвижности и растворимости трития и гелия в бериллии.

• Снижение температуры взрывного выхода трития и гелия из облученного нейтронами бериллия с ростом скорости нагрева может бытьсвязано с: а)ростом термических напряжений в образце;

б)ростом давления в газовых пузырях.

В обоих случаях напряжения не успевают релаксировать из-за высокой скорости нагрева и это приводит к разрушению образца, сопровождающемуся выходом накопленных газов.

• При циклическом изменении температуры от 150 до 700 °С и при скоростях нагрева/охлаждения до 10 °С/с основными факторами, влияющими на изменение структуры и свойств бериллиевых изделий и определяющими их ресурс при облучении нейтронами будут являться максимальная температура материала и время выдержки при ней.

• Детритизация облученного нейтронами бериллия методом термической экстракции эффективно протекает только при температурах выше 600 °С. При этом происходит деградация структуры материала в виде либо фрагментации образца (наблюдается только в узком интервале температур в районе 700 °С), либо значительного распухания и образования системы открытой пористости при температуре детритизации выше 800 °С. Таким образом, применение отжига с целью удаления трития и гелия из

облученного нейтронами бериллия и одновременного восстановления его механических и физических свойств представляется невозможным. Путем соответствующего подбора режимов отжига можно обеспечить термическую детритизацию бериллия с сохранением его механической сплошности.

Результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Andreev D.V., Bespalov V.N., Biryukov A.Yu., Gurovich B.A., Platonov P.A., Post-irradiation studies of beryllium reflector of fission reactor. Examination of gas release, swelling and structure of beryllium under annealing // J.Nucl.Mater. 233-237(1996)880-885.

2. Platonov P.A., Bespalov V.N., Biryukov A.Yu., Gurovich B.A., Andreev D.V., Gavrilov S.A. Hydrogen isotopes inventory in the neutron irradiated beryllium // Final report on IAEA research contract No.8202/RB, 1996.

3. Moons F., Andreev D., Coheur L., De Raedt Ch., Puzzolante J., Characterization of Irradiated Beryllium // annual SCK/CEN 1996 Scientific Report, Mol, Belgium, 1997.

4. Бирюков А.Ю., Андреев Д.В., Гаврилов С.А., Накопление дейтерия в массивных бериллиевых образцах и перепылённых плёнках. Селективное распыление оксидной плёнки на бериллии при бомбардировке ионами D+ и Не+ // препринт М.: ИАЭ-6062/8, 1998.

5. Andreev D.V., Bespalov V.N., Biryukov A.Yu., Gavrilov S.A., Experimental Simulation and Analytical Study of Tritium Inventory in and Desorption from ITER Plasma Facing Beryllium II report for Int. Scintific Technological Centre, 1997.

6. Andreev D.V., Biryukov A.Yu., Danelyan L.S., Elistratov N.G., Gureev V.M., Guseva M.I., Kolbasov B.N., Kurochkin Yu.Ya., Nevzorov V.N., Stativkina O.V., Zimin A.M., Studies of tritium desorption from beryllium and characterisation of erosion products under plasma-beryllium interaction // Fusion Eng.&Design, 39-40(1998)465-475.

7. Андреев Д.В., Беспалов B.H., Бирюков А.Ю., Красиков Е.А., Влияние стационарного и циклического отжигов на структуру и распухание облученного нейтронами бериллия // ВАНТ, серия "Термоядерный синтез", 1-2(1998)13-21.

8. Andreev D.V., Bespalov V.N., Biryukov A.Yu., Krasikov E.A., Influence of isothermal and cyclic annealing on structure and swelling of neutron irradiated berillium // J.Nucl.Mater., 274/3(1999)329-335.

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМ, СВЯЗАННЫХ С ИЗУЧЕНИЕМ ПОВЕДЕНИЯ ИЗОТОПОВ ВОДОРОДА И ГЕЛИЯ В ОБЛУЧЁННОМ БЕРИЛЛИИ: ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1 Области использования бериллия в атомной технике.

1.2 Основные проблемы, связанные с использованием бериллия в атомной технике.

1.3 Полученные ранее экспериментальные результаты.

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТА.

2.1 Материалы для исследования.

2.2 Описание использовавшихся экспериментальных методик.

2.2.1 Расчетное и экспериментальное определение накопления 3Не, 4Не и трития в облучёином,бериллии.

2.2.2 Рентгеноструктурный анализ облученного бериллия.

2.2.3 Измерение плотности облученного бериллия методом гидростатического взвешивания.

2.2.4 Исследование облученного бериллия методом вторичной ионной масс-спектрометрии.

2.2.5 Исследование облученного бериллия методом просвечивающей электронной микроскопии.

2.2.6 Исследование облученного бериллия методом сканирующей электронной микроскопии.

2.2.7 Исследование облученного бериллия методом оптической металлографии.

2.2.8 Измерение микротвёрдости облучённого бериллия.

2.2.9 Методика отжига облучённого бериллия (изотермические отжиги).

2.2.10 Методика отжига облучённого бериллия (циклические отжиги).

2.2.11 Изучение газовыделения из облучённого бериллия при нагреве по заданному закону.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.

3.1 Исследование структуры и свойств облученного бериллия.

3.1.1 Расчетное и экспериментальное определение накопления 3Не, 4Не и трития.

3.1.2 Ректгеноструктурный анализ облученного бериллия.

3.1.3 Измерение плотности облученного бериллия.

3.1.4 Исследование облученного бериллия методом вторичной ионной масс-спектрометрии.

3.1.5 Исследование структуры облученного бериллия методом просвечивающей электронной микроскопии.

3.1.6 Исследование структуры облученного бериллия методом оптической металлографии.

3.1.7 Измерение микротвёрдости облучённого бериллия.

3.2 Исследование распухания, изменения структуры и свойств облученного бериллия в процессе изотермических отжигов.

3.2.1 Измерение плотности облученного бериллия в процессе изотермических отжигов.

3.2.2 Исследование эволюции микроструктуры облученного бериллия в процессе изотермических отжигов методом оптической металлографии.

3.2.3 Изучение структуры облучённого бериллия после изотермического отжига методом просвечивающей электронной микроскопии.

3.2.4 Изменение микротвёрдости облучённого бериллия в процессе изотермических отжигов.

3.2.5 Изучение структуры облучённого бериллия после изотермического отжига методом сканирующей электронной микроскопии.

3.3 Исследование распухания и изменения структуры и свойств облученного бериллия в процессе циклических отжигов.

3.4 Изучение газовыделения из облучённого бериллия при нагреве.

3.4.1 Изучение газовыделения при нагреве неотожженных образцов облучённого бериллия.

3.4.2 Изучение выделения трития при нагреве отожженных образцов облучённого бериллия.

4. АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ.

4.1 Исследование облученного бериллия.

4.2 Исследование распухания, изменения структуры и свойств облученного бериллия в процессе изотермических и циклических отжигов.

4.3 Изучение газовыделения из облученного бериллия при нагреве.

4.3.1 Изучение газовыделения из облученного бериллия при нагреве.

4.3.2 Изучение газовыделения из облученного бериллия при нагреве после предварительных отжигов.

Актуальность проблемы.

Изучение поведения изотопов водорода и гелия в облучённом нейтронами бериллии и их влияния на структуру и свойства материала в процессе облучения и/или отжигов после облучения представляет интерес в связи с широким использованием бериллия в атомной технике в качестве материала активной зоны исследовательских реакторов (отражателя и замедлителя), а также по причине планируемого использования бериллия в качестве материала защитных экранов первой стенки термоядерного реактора ITER и, возможно, размножителя нейтронов в тритийвоспроизводящем бланкете.

В обоих случаях увеличение ресурса бериллиевых элементов является важной задачей по экономическим соображениям из-за высокой стоимости бериллия и высокой стоимости проведения ремонтных работ в активной зоне атомного реактора или в рабочей камере термоядерного реактора. В условиях атомного реактора лимитирующими факторами использования бериллиевых элементов являются их механические свойства и накопление Не в них в результате ядерных реакций. В условиях термоядерного реактора лимитирующим фактором являются только механические свойства защитных экранов.

Использование большого количества бериллия в строящемся реакторе ITER также ставит проблему утилизации отработанных экранов и, возможно, материала бланкета. Проблема усложняется тем, что перед переработкой элементов, выработавших свой ресурс, из них необходимо удалить накопившийся в процессе эксплуатации тритий.

Цель работы.

Целью работы был анализ поведения трития и изотопов гелия в бериллии, облучённом при 100 °С в исследовательском реакторе MP до флюенса быстрых (Е>0.5 МэВ) нейтронов от 1х1021 см"2 до 9х1021 см"2, и определение их влияния на структуру и свойства бериллия в процессе облучения и отжигов различных режимов и длительности.*

Научная новизна.

В настоящей работе впервые проведено исследование образцов бериллия, облучавшихся при одинаковых условиях, целым комплексом материаловедческих методов, включавшим определение плотности, оптическую металлографию, рентгеноструктурный анализ, просвечивающую и сканирующую электронную микроскопию, вторичную ионную масс-спектрометрию и вакуумную экстракцию газов при нагреве образца.

Показано, что нейтронное облучение вызывает формирование в структуре бериллия комплексов трансмутационных газов (трития и гелия) и радиационных дефектов, при этом тритий локализуется в областях, связанных со структурными дефектами (границы зёрен, дислокации, выделения).

Результаты исследования распухания и изменения микроструктуры бериллия в процессе послерадиационных отжигов и изучения кинетики выхода гелия и трития из бериллия при линейном нагреве позволили:

• Обнаружить формирование в облученном бериллии одномерных решеток пор и дислокационных петель;

• Впервые выявить стадию ускоренного распухания бериллия при температурах отжига в диапазоне 900-r-l 100 °С;

• Объяснить причины сложного характера зависимости распухания от температуры отжига и наличия раздельных пиков взрывного недиффузионного выхода трития и гелия из облученного бериллия при нагреве.

• Обнаружить снижение значений температур взрывного выхода трития и гелия из бериллия при увеличении скорости нагрева;

• Показать, что при циклическом изменении температуры в диапазоне от 150 до 700 °С и при скоростях нагрева/охлаждения до 10 °С/с основными факторами, влияющими на изменение структуры и свойств бериллиевых изделий и определяющими их ресурс при облучении нейтронами, являются Далее по тексту диссертации, если специально не оговорено, имеется в виду только облучение нейтронами и приводятся значения флюенса быстрых нейтронов. Термин "облученный бериллий" подразумевает бериллий, облученный нейтронами. При указании значений флюенса быстрых нейтронов слова "быстрые нейтроны" опускаются для краткости изложения. значение максимальной температуры и время выдержки материала при этой температуре.

• Экспериментально обосновать тот факт, что детритизация облученного нейтронами бериллия методом термической экстракции эффективно протекает только при температурах выше 600 °С. При этом происходит деградация структуры материала в виде либо фрагментации образца (наблюдается только в узком интервале температур в районе 700 °С), либо значительного распухания и образования системы открытой пористости при температуре детритизации выше 800 °С.

Научная и практическая значимость работы.

Проведенные исследования позволили обнаружить ряд не наблюдавшихся ранее явлений (формирование одномерных решеток пор и дислокационных петель, вторая стадия ускоренного распухания бериллия в области высоких температур, снижение значений температуры взрывного выхода трития и гелия при увеличении скорости нагрева, практически полное разрушение бериллия после отжига в определенном интервале температур, сопровождающееся образованием большого количества мелкодисперсной пыли).

Анализ представленных в диссертации результатов позволил выявить вероятные причины упомянутых явлений, а также экспериментально обосновать границы применимости послерадиационного отжига для детритизации облученного нейтронами бериллия и восстановления его механических свойств.

Объём и структура работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов, списка иллюстраций и библиографии. Диссертация изложена на 85 страницах машинописного текста (без оглавления, списка иллюстраций и библиографии), содержит 54 рисунка, 5 таблиц и список цитируемой литературы из 46 наименований.

Выводы.

Анализ результатов проведенных исследований бериллия, облученного в составе отражателя исследовательского реактора МР при температуре 100 °С до флюенса быстрых нейтронов (Е>0.5 МэВ) от 1х1021 до 9x1021 см"2, позволяет сделать следующие основные выводы:

1) Формирование комплексов трансмутационных газов (трития и гелия) и радиационных дефектов происходит уже в процессе облучения бериллия при температуре 100 °С; при флюенсе быстрых нейтронов 9х1021 см'2 эти комплексы теряют когерентность с решеткой и могут рассматриваться как газонаполненные пузыри.

2) Сложный характер зависимости распухания от температуры отжига и наличие раздельных пиков взрывного недиффузионного выхода трития и гелия из облученного бериллия при нагреве обусловлены большой разницей в диффузионной подвижности и растворимости трития и гелия в бериллии.

3) Снижение температуры взрывного выхода трития и гелия из облученного нейтронами бериллия с ростом скорости нагрева может бытьсвязано с: а)ростом термических напряжений в образце; б)ростом давления в газовых пузырях.

В обоих случаях напряжения не успевают релаксировать из-за высокой скорости

89 нагрева и это приводит к разрушению образца, сопровождающемуся выходом накопленных газов.

4) При циклическом изменении температуры от 150 до 700 °С и при скоростях нагрева/охлаждения до 10 °С/с основными факторами, влияющими на изменение структуры и свойств бериллиевых изделий и определяющими их ресурс при облучении нейтронами будут являться максимальная температура материала и время выдержки при ней.

5) Детритизация облученного нейтронами бериллия методом термической экстракции эффективно протекает только при температурах выше 600 °С. При этом происходит деградация структуры материала в виде либо фрагментации образца (наблюдается только в узком интервале температур в районе 700 °С), либо значительного распухания и образования системы открытой пористости при температуре детритизации выше 800 °С. Таким образом, применение отжига с целью удаления трития и гелия из облученного нейтронами бериллия и одновременного восстановления его механических и физических свойств представляется невозможным. Путем соответствующего подбора режимов отжига можно обеспечить термическую детритизацию бериллия с сохранением его механической сплошности.

Список таблиц и иллюстраций.

Табл. 1 Содержание трития и изотопов гелия в бериллиевом стержне концентрации трития и 3Не приведены на момент исследования) .31

Табл. 2 Значения микротвёрдости облучённого бериллия.41

Табл. 3 Значения микротвёрдости облучённого бериллия после отжигов, кг/мм.52

Табл. 4 Значения температур взрывного выхода трития и гелия при различных скоростях линейного нагрева образцов облученного бериллия.67

Табл. 5 Содержание трития в облученном бериллии до и после отжигов. .70

Рис. 1 Распределение общей у-активности по высоте облучённого нейтронами бериллиевого стержня. 18

Рис. 2 Зависимость температуры от времени при термоциклировании образцов бериллия с выдержкой на заданной температуре. 25

Рис. 3 Зависимость температуры от времени при термоциклировании облучённого бериллия без выдержки при заданной максимальной температуре цикла. 26

Рис. 4 Зависимость температуры от времени при отжиге облучённого нейтронами бериллия в квазистационарном режиме. 27

Рис. 5 Схема установки термической экстракции газов (1 - вакуумный магниторазрядный диодный насос НМД-0.16, 2 - водоохлаждаемая камера нагревателя, 3 - вакуумные тоководы нагревателя, 4 -вакуумные вводы термопары. 5 - масс-спектрометр МХ-7304А, 6 -проходной вакуумный кран, 7 - узел вакуумного уплотнения ввода штока с образцом, 8 - шток, 9 - магистраль форвакуумной откачки узла вакуумного уплотнения ввода штока, 10 - магистраль высоковакуумной откачки узла вакуумного уплотнения ввода штока цеолитовыми сорбционными насосами). 28

Рис. 6 Схема нагревателя с термопарой и штоком для загрузки образцов (1 - шток, 2 - образец, 3 - захват штока, 4 - экран нагревателя, 5 -тигель-нагреватель, 6 - донышко, 7 - термопара, 8 - тоководы). 29 Рис. 7 Зависимость параметра а кристаллической решетки бериллия от флюенса быстрых (Е>0.5 МэВ) нейтронов. 32

Рис. 8 Зависимость параметра с кристаллической решетки бериллия от флюенса быстрых (Е>0.5 МэВ) нейтронов. 32

Рис. 9 Зависимость объема элементарной ячейки кристаллической решетки бериллия от флюенса быстрых (Е>0.5 МэВ) нейтронов. 33 Рис. 10 Зависимость распухания бериллия от флюенса быстрых (Е>0.5 МэВ) нейтронов. 34

Рис. 11 Спектр вторичных ионов с поверхности бериллия, облученного

21 "2 флюенсом быстрых (Е>0.5 МэВ) нейтронов 3x10 см . 35

Рис. 12 Структура необлученного бериллия. 36

01 О

Рис. 13 Структура бериллия, облученного флюенсом 9x10 см" одномерная решетка пор - а, одномерная решетка петель - б) 37 Рис. 14 Микроструктура необлученного бериллия в поляризованном свете. 38

Рис. 15 Микроструктура облучённого бериллия (флюенс 1 х1021 см"2, температура облучения 100°С) в поляризованном свете. 39

01 О

Рис. 16 Микроструктура облучённого бериллия (флюенс 3x10 см" , температура облучения 100°С) в поляризованном свете. 39 О

Рис. 17 Микроструктура облучённого бериллия (флюенс 9x10 см", температура облучения 100°С) в поляризованном свете. 40

01 О

Рис. 18 Микроструктура облучённого бериллия (флюенс 9x10 см" , температура облучения 100°С) в поляризованном свете. 40

О 1

Рис. 19 Зависимость распухания облученного бериллия (флюенс 3x10 и

01 О

9x10 см") от температуры отжига. Время отжига 5 часов. (р0 плотность необлученного бериллия). 43

Рис. 20 Зависимость распухания облученного бериллия при температуре отжига 715°С (время отжига 5 часов) от флюенса. (р0 - плотность необлученного бериллия) 44

Рис. 21 Зависимость распухания облучённого бериллия от времени отжига при температуре 715 °С (р0 - исходная плотность облучённых неотожжённых образцов). 45

Рис. 22 Межзёренные трещины на поверхности облучённого бериллия

21 2 после отжига (флюенс 9x10 см", отжиг 715 °С, 5 часов). 46

Рис. 23 Микроструктура облучённого бериллия после отжига (флюенс

9х 1021 см"2, отжиг 715 °С, 5 часов). 47

Рис. 24 Микроструктура облучённого бериллия после отжига (флюенс

9x1021 см"2, отжиг 715 °С, 5 часов). 47

Рис. 25 Микроструктура облучённого бериллия после отжига (флюенс

9x1021 см"2, отжиг 715 °С, 5 часов). 48

Рис. 26 Структура облученного бериллия (100 °С, 7x1021 см"2) после отжига при 390 °С в течение 5 часов. 49

01 О

Рис. 27 Структура облученного бериллия (100 °С, 7x10 см") после отжига при 510 °С в течение 5 часов. 49

01 0

Рис. 28 Структура облученного бериллия (100 °С, 7x10 см") после отжига при 600 °С в течение 5 часов. 50

01 0

Рис. 29 Структура облученного бериллия (100 °С, 7x10 см") после отжига при 600 °С в течение 5 часов. 50

Рис. 30 Структура облученного бериллия (100 °С, 7х1021 см"2) после отжига при 600 °С в течение 5 часов. 51

Рис. 31 Поперечное сечение приповерхностного слоя образца

21 2 облученного бериллия (флюенс 9x10 см", температура 100 °С) после однократного отжига при 1100 °С в течение 5 часов. 53

Рис. 32 Поперечное сечение приповерхностного слоя образца облученного бериллия (флюенс 9x1021 см"2, температура 100 °С) после отжига при 1100 °С в течение 5 часов в случае предшествующих отжигов при более низких температурах. 53

Рис. 33 Поры в приповерхностном слое образца облучённого бериллия (флюенс 9х1021 см"2, температура 100 °С) после однократного отжига при 1100 °С в течение 5 часов. 54

Рис. 34 Поры в центральной части образца облученного бериллия

N1 Л флюенс 9x10 см", температура 100 °С) после отжига при 1100 °С в течение 5 часов в случае предшествующих отжигов при более низких температурах. 54

Рис. 35 Поверхность поры в образце облучённого бериллия (флюенс

9x1021 см"2, температура 100 °С) после отжига при 1100 °С в течение 5 часов в случае предшествующих отжигов при более низких температурах. 55

Рис. 36 Зависимость распухания облученного бериллия при термоциклировании от количества циклов (максимальная температура цикла 600 °С). Для изотермического отжига 87600 с соответствуют 100 циклам отжига. 56

Рис. 37 Зависимость распухания облученного бериллия при термоциклировании от количества циклов (максимальная температура цикла 700 °С). Для изотермического отжига 96400 с соответствуют 110 циклам отжига. 57

Рис. 38 Держатель с образцами облученного и необлученного бериллия после 110 циклов отжига при нагреве от 150 до 700 °С с выдержкой при максимальной температуре (1-образец-свидетель, содержание

19 2 кислорода 0.8 вес.%, 2 - флюенс 5x10 см", содержание кислорода 1.8 вес.%, 3 - ЗхЮ21 см"2, 4 - 9х1021 см"2, 5 - 1х1021 см"2, 6 - образец-свидетель, содержание кислорода 1.8 вес.%). 58

Л 1 О)

Рис. 39 Структура образца облученного бериллия (флюенс 9x10 см" ) после 110 циклов отжига при нагреве от 150 до 700 °С с выдержкой при максимальной температуре (направление поперек оси прессования). 59

212

Рис. 40 Структура образца облученного бериллия (флюенс 9x10 см" ) после отжига при 700 °С в течение 96400 с (направление поперек оси прессования). 59

Рис. 41 Относительное распределение по размерам блоков в образце облученного бериллия (флюенс 9x10 1 см"2) после 110 циклов отжига при нагреве от 150 до 700 °С с выдержкой при максимальной температуре (а). Относительное распределение по размерам зерен в образце облученного бериллия (флюенс 9x1021 см*) (б). 60

Рис. 42 Зависимость распухания облученного бериллия при термоциклировании без выдержки на максимальной заданной температуре 700 °С от количества циклов. 61

Л 1 л

Рис. 43 Образец облученного бериллия (флюенс 9x10 см") до (а) и после (Ь) отжига при 800 °С в течение 96400 с. 62

Рис. 44 Поперечное сечение приповерхностного слоя образца 1 облученного бериллия (флюенс 9x10 ) после отжига при 800 °С в течение 96400 с. 63

Рис. 45 Температурные зависимости скорости выхода трития и гелия из облучённого бериллия при линейном нагреве со скоростью 0.17 °С/с (флюенс ЗхЮ21 см'2). 64

Рис. 46 Температурные зависимости скорости выхода трития и гелия из облучённого бериллия при линейном нагреве со скоростью 0.17 °С /с (флюенс 9x1021 см"2). 64

Рис. 47 Температурные зависимости скорости выхода трития из

21 2 облученного бериллия (флюенс 9x10 см") при разных скоростях линейного нагрева. 66

Рис. 48 Температурные зависимости скорости выхода гелия из

21 2 облученного бериллия (флюенс 9x10 см" ) при разных скоростях линейного нагрева. 66

Рис. 49 Кривые выделения трития из облученного бериллия (флюенс

9х 1021 см"2) до и после отжига при 600 °С в течение 24 ч. 69

Рис. 50 Кривые выделения трития из облученного бериллия (флюенс л 1 л

9х 10 см") до и после отжига при 700 °С в течение 10 ч. 69

Рис. 51 Зависимость количества трития оставшегося в растворе (а) и вышедшего из него (Ь) от температуры ионной имплантации [35]. 71 Рис. 52 Распухание облученного бериллия при отжигах в сравнении с

О! О кривыми газовыделения при линейном нагреве (флюенс 3x10 см", скорость линейного нагрева 0.17 °С/с). 75

Рис. 53 Распухание облученного бериллия при отжигах в сравнении с кривыми газовыделения при линейном нагреве (флюенс 9x10 см", скорость линейного нагрева 0.17 °С/с). 75

Рис. 54 Зависимость давления в гелиевых пузырях и критического давления (Р=2у/"К+С7и) от температуры, а) - содержание гелия 1880 аррт, б) - содержание гелия 4400 аррт. 83

5. Заключение.

Полученные в данной работе экспериментальные результаты позволяют проанализировать поведение изотопов водорода и гелия в облученном нейтронами бериллии и их влияние на его структуру и свойства в процессе облучения при температуре 100 °С и при последующих отжигах.

Образующиеся в результате ядерных реакций тритий и гелий накапливаются в бериллии, так как их диффузионная подвижность при температуре облучения недостаточна для того, чтобы газы могли покинуть материал. Доказательством этого является удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментально измеренных концентраций накопленных газов. Но, как показывают косвенные данные, низкая диффузионная подвижность не является препятствием для формирования комплексов атомов трансмутационных газов и радиационных дефектов. Действительно, максимальная величина распухания, обусловленная увеличением объема элементарной ячейки кристаллической решетки бериллия, не превышает 0.2 %, в то время как метод гидростатического взвешивания дает значительно большее значение распухания.

Дополнительными доказательствами формирования комплексов атомов трансмутационных газов и радиационных дефектов в процессе облучения являются отсутствие сигнала вторичных ионов Т+ при распылении поверхности облученного бериллия, значительная доля трития, улетучивающегося при химическом растворении облученного бериллия, и немонотонная зависимость параметров кристаллической решетки бериллия от флюенса нейтронов.

Последнее явление также показывает, что во время облучения происходит не только формирование комплексов, но и их эволюция. То, что при максимальном флюенсе быстрых нейтронов (9x1021 см"2) значения параметров кристаллической решетки бериллия приближаются к значениям параметров для необлученного бериллия, может рассматриваться как доказательство начала формирования некогерентных с решеткой комплексов радиационных дефектов и атомов трансмутационных газов. Такие комплексы могут рассматриваться как зародыши газовых пор (пузырей). И действительно, исследование методом просвечивающей электронной микроскопии позволило обнаружить в облученном бериллии одномерную решетку пор (наряду с отдельной решеткой дислокационных петель). К сожалению, из-за малого размера этих пор (согласно оценкам RcP~5 А) и из-за специфических особенностей облученного нейтронами бериллия (хрупкость образцов и высокая плотность радиационных дефектов типа дислокационных петель) не удалось провести их детального исследования.

Во время отжига облученный бериллий подвергается распуханию, обусловленному ростом диффузионной подвижности трития и гелия с увеличением температуры. На кривой зависимости распухания от температуры отжига обнаруживаются четыре четко выраженных участка:

1. В области температур от 300 до 600 °С (для образца, облученного флюенсом ЗхЮ21 см"2, до -700 °С) - монотонное, слабое падение плотности бериллия (в пределах от 0.5 до 3 %);

2. При температурах выше 700 и до 800 °С - резкое падение плотности;

3. При температурах от 800 и до 900 °С - практически полное отсутствие распухания (флюенс 9x1021 см"2), либо его резкое замедление (флюенс ЗхЮ21 см"2);

4. При температурах выше 900 °С - ускоренное падение плотности бериллия.

Привлечение данных по газовыделению из облученного бериллия позволяет объяснить столь специфическое поведение облученного бериллия при отжигах.

Так, первая стадия ускоренного распухания облученного бериллия связана с ростом диффузионной подвижности трития и формированием заполненных тритием пузырей (в основном, в местах структурных неоднородностей), следующая стадия с низкой скоростью распухания обусловлена взрывным выходом трития из бериллия при температуре около 800 °С. Далее с ростом температуры возрастает диффузионная подвижность гелия, что порождает следующую стадию ускоренного распухания.

Взрывной характер выхода трития и гелия из материала объясняется формированием открытой пористости в результате коалесценции пузырей и растрескивания, обусловленного ростом напряжений при распухании бериллия. Как показывают результаты исследования структуры методами просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии и оптической металлографии, на начальной стадии отжига происходит рост пузырей как на границах зерен, так и в теле зерен. Образование газовых пузырей на границах зерен способствует их ослаблению и межзеренному растрескиванию бериллия при распухании. По мере роста температуры отжига (вплоть до температуры взрывного выхода трития) происходит ускорение поступления трития из тела зерна и внутризеренных пузырей в зернограничные пузыри и межзеренные трещины. При достижении трещинами поверхности образца заканчивается процесс образования открытой пористости и весь тритий выходит из бериллия. После этого распухание замедляется, причиной чему служат полный выход трития из бериллия и еще недостаточная диффузионная подвижность гелия при температурах до 900 °С, а также, возможно, аккомодация распухания отдельных зерен зернограничными трещинами и пузырями. С дальнейшим ростом температуры отжига ускоряется рост гелиевых пузырей, увеличивается темп распухания и происходит дальнейшее развитие открытой пористости за счет коалесценции пузырей и растрескивания бериллия. При достаточно высокой температуре отжига происходит окончательная дегазация материала за счет выхода гелия из образца по полностью сформировавшейся открытой пористости, появление которой подтверждается результатами исследования методом сканирующей электронной микроскопии.

Таким образом, столь необычный характер зависимости распухания от температуры отжига и наличие раздельных пиков взрывного выхода трития и гелия связаны с большой разницей в их диффузионной подвижности в бериллии.

Как показывают полученные экспериментальные результаты, термическая детритизация облученного бериллия достаточно эффективно протекает только при температура выше 600 °С. Но при этом в узком диапазоне значений температуры в районе 700 °С может происходить межзеренное разрушение образцов, сопровождающееся образованием большого количества мелкодисперсной пыли. Причиной разрушения образцов является рост внутренних напряжений при распухании. При температуре отжига 600 °С величина распухания еще невелика, соответственно напряжения не достигают критических значений. При температуре отжига 800 °С увеличивается скорость диффузионных процессов релаксации напряжений (переползание дислокаций, диффузионная ползучесть), что приводит к сохранению механической сплошности образцов, несмотря на значительное распухание.

Увеличение скорости нагрева облученного бериллия может приводить к снижению значений температуры взрывного выхода трития и гелия после достижения некоторой критической скорости нагрева, лежащей в районе 10 °С/с. Причиной этого является рост в бериллии термических напряжений и напряжений, обусловленных увеличением газового давления в пузырях, рост которых при больших скоростях нагрева затруднен из-за недостатка времени для протекания диффузионных процессов, контролирующих процессы релаксации напряжений и роста газовых пузырей. В результате происходит разрушение бериллия и выход накопленных газов.

При скоростях нагрева/охлаждения, меньших критической, сколько-нибудь значительного различия в поведении бериллия при циклических и изотермических отжигах при температуре до 700 °С не наблюдается.

1. Бать Г. А., Кочёнов А.С., Кабанов Л.П., Исследовательские ядерные реакторы // М.: Атомиздат, 1972, 279 с.

2. Климов А.Н., Ядерная физика и ядерные реакторы // М.: Энергоатомиздат, 1985, с. 167-173,238-244.

3. Калин Б.А., Скоров Д.М., Якушин В.Л., Проблемы выбора материалов для термоядерных реакторов // М.: Энергоатомиздат, 1985,184 с.

4. Billone М.С., Dalle Donne М., Macaulay-Newcombe R.G., Status of beryllium development for fusion applications // Fusion Eng&Design, 27(1995)179-190.

5. Физические величины. Справочник под ред. Григорьева И.С. и Мейлихова Е.З. // М.: Энергоатомиздат, 1991, с. 1103.

6. Таблицы физических величин. Справочник под ред. акад. Кикоина И.К. //М.: Атомиздат, 1976, с. 887, 905.

7. ПапировИ.И., Тихинский Г.Ф., Физическое металловедение бериллия // М,: Атомиздат, 1967, 452 стр.

8. Koonen Е., Status of the BR2 Refurbishment Programme // IAEA topical seminar on Management an Ageing of Research Reactors, GKSS: Geestacht, Germany, May 8-12, 1995. IAEA-SR-190/45.

9. Исследовательский реактор MP, Техническое обоснование безопасности // отчет М.: ИАЭ им. Курчатова, 1989, Инв.№ 60/547

10. Technical Basis for the ITER Final Design Report, Cost Review (FDR), draft // San Diego ITER JWS, 1997, December 19.

11. Гольцев В.П., Серняев Г. А., Чечёткина З.И., Радиационное материаловедение бериллия //Минск.: Наука и Техника, 1977, 374 с.

12. Gelles D.S., Sernyaev G.A., Dalle Donne M., Kawamura H., Radiation effects in beryllium used for plasma protection // J. Nucl.Mater.212-215(1994)29-38.

13. Гольцев В.П., Серняев Г. А., Чечёткина 3.И., Радиационное повреждение при низкотемпературном облучении нейтронами// в кн.: Радиационная физика твёрдого тела и реакторное материаловедение, М.: Атомиздат, 1970, с. 213-220.

14. Завгородний А.Я., Гольцев В.П., Чечёткина З.И., Серняев Г. А., Кинетика газового распухания облучённого бериллия // в кн.: Радиационная физика твёрдого тела и реакторное материаловедение, М.: Атомиздат, 1970, с. 221-231.

15. Sannen L., Moons F., Yao Y., Helium Content and Swelling of Low Temperature Irradiated/Post-Irradiation Annealed Beryllium // Workshop on beryllium modelling: SCK/CEN, Mol, Belgium, 1993 December 10, (in SCK/CEN report FT/MOL/93-09).

16. Technical Basis for the ITER Final Design Report, Safety Analysis (FDR), draft // San Diego ITER JWS, 1997, December 19.

17. ITER non-site specific safety report //NSSR-2, Volume 3, 1997, October 1.

18. Anderl R.A., International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) U.S. Home Team Fusion Safety Program // Engineering Design File № ITER/US/98/TE/SA-01, 1998, March 5.

19. Baldwin D.L., Slagle O.D. and Gelles D.S., Tritium release from irradiated beryllium at elevated temperatures // J.Nucl.Nater. 179-181(1991)329-334.

20. Billone M.C., Lin C.C. and Baldwin D.L., Tritium and helium behaviour in irradiated beryllium // Fusion Technology, 19(1991)1707-1714.

21. Anderl R.A., Baker J.D., Bourne G.L., Pawelko R.J., Tritium and helium release from irradiated beryllium // Fusion Technology, 28(1995)1114-1119.

22. SannenL., Final Report: Characterisation of irradiated beryllium//FT/MOL/92-Ol, TEC/51.F4000/64/LS/1 s, SCK/CEN, Mol, Belgium, 1992.

23. Dorr L. et al., Long-time tritium release from irradiated beryllium (SIBELIUS irradiation) // Proc. IEA Workshop on Beryllium for Fusion Applications, Karlsruhe, 4-5 October, 1993, pp. 138-148.

24. Scaffidi-Argentina F., Dalle Donne M., Ferrero C., Ronchi C., Helium induced swelling and tritium trapping mechanisms in irradiated beryllium: a comprehensive approach // Fusion Eng. &Design 27(1995)275-282.

25. Scaffidi-Argentina F., Dalle Donne M., Ferrero C., ANFEBE: A Comprehensive Model for Swelling and Tritium Release from neutron-Irradiated Beryllium-I: Theory and Model Capabilities // Fusion Technology 32(1997)179-195.

26. Архангельский H.B., Насонов В.А., УРАН-АМ программа нейтронного рассчета цилиндрической ячейки реактора с учетом изменения изотопного состава в процессе выгорания // препринт М.: ИАЭ-3861/5,1983.

27. Левина Л.А., УлумбековР.Ф., Федотов А.А., Херувимов А.Н., Применение установки LKB 1220 «Quantulus» для определения содержания трития в атмосфере // препринт М.: ИАЭ-4987/2, 1989.

28. Kelly P.M., Jostons A., Blake R.G. and Napier J.G., The Determination of Foil Thickness by Scanning Transmission Electron Microscopy // Physica Status Solidi (A), vol.31, 771, 1975.

29. Youchinson F.G. et al. // Fusion Technology, 29(1996)599-613.

30. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой, под ред. Бериша Р., пер. с англ. //М.: Мир, 1984, 336 стр.

31. Causey R.A., Hsu W.L., Mills B.E., Tritium retention and migration in beryllium // J.Nucl. Mater. 1168c 177( 1990)654-660.

32. Dolan T.J., ITER Titium-Plasma Facing Materials Interaction Database Assesment // ITER/ US/94/TE-S A-10, may 1994.

33. Pisarev A.A., Tritium solubility and diffusivity in beryllium // Fusion Technology, 28(1995)1262-1267.

34. Залужный А.Г., Сокурский B.H., Тебус B.H., Гелий в реакторных материалах //М.: Энергоатомиздат, 1988, 224 с.

35. Косенков В.М., Рентгенография в реакторном материаловедении // М.: Энергоатомиздат, 1985, 104 с.

36. Папиров И.И., ТихинскийГ.Ф., Пластическая деформация бериллия// М.: Атомиздат, 1973, 156 с.

37. Adams J.B., Rockett A., KiefFer J. et all, Atomic level computer simulation // J.Nucl.Mater. 216(1994)265-274.

38. Krimmel H., Faehnle M. // J.Nucl.Mater. 231(1996)159-161.

39. Brearley J.R., Maclnnes D.A. // J.Nucl.Mater. 95(1980)239-252.

40. Dekiens E.B., Pick M. A., Dombrovski D.E., Thermomechanical Properties of Beryllium // JET-IR(94)07.