Атомная структура конструкционных материалов ТВЭЛов ВТГР (определенная методом нейтронографии) тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ШЖФРНО-ФЖЖЧЕСКЖ ИНСТИТУТ

БАТУРИН ВАДИМ ГЕННАДИЕВИЧ

АТ05ДНЛЯ СТРУКТУРА КОНСТРГаЦИОННЫХ ?МТЕРИАЛОВ ТВЭЛОВ ВТГР (ОПРЕДЕЛЕННАЯ МЕТОДОМ НЕЙТРОНОГРАФИИ)

01-04.07 - физика твердого тела

Автореферат диссертации на соисканио ученой степени кандидата физико-математлческих наук

На правах рукописи

Автор

Москва Т9Э1-

Работа выполнена в Московском инженерно-физическом институте.

Научный руководитель:

Доктор физико-математических наук

Петруния В.Ф.

Официальные оттоненты: Доктор технических наук

Власов К.П-

Кандидат физико-математических наук

Сумин В-В.

Ведущая организация:

Физический институт им. Лебедева (г.Москва)

Защита диссертации состоится 10 февраля 1992г. в 16-00 на заседании специализированного совета в Московском ишенорно-физичвеком институте по адресу: 115409 .г.Шсква.Калшрскоэ ш. ,31. тел-: 324-84-98.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Московского шжшерно-физического института.

Просим принять участие в работе специализированного совета или прислать отзыв в I экземпляре, заверенный печатью организации

Подписано в печать // 12 'Л Заказ Тираж /00 ?><з

Афтореферат разослан января 1992г.

Ученый секретарь специализированного совета

В- Н. Яльцев

Типография .Каширское шоссе, 31.

ОЩЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ АКТУАЛЬНОСТЬ "ВМ. Атомные анврготехнологическио комплексы на баз 9 высокотемпературных газоохллзздаемых реакторов (ВТГР) модульного типа могут явиться универсальным источником энергии для производства электричества и выеокопотенциального тепла для химической промышленности и металлургии. От-даштельная

особенность ВТГР - пршонение тонкодисперсного ядерного топлива, заключенного в несколько термо- и радизционкостойких газоне лрошщаомьгх оболочек- Материала;т твэлоз могут служить: пиролическиЯ углерод, карбид кремния, их смесь, композит на основе порошка графита, которые часто находятся в неравновесном состоянии и проявляют большое многообразие свойств в зависимости от условия их получения: температуры и скорости пиролического оса;>жетшя, выбора газовых компонентов , исходного сырья, состава матричных композиций, а тага:з от созоркенс.тза их атомной, мтароскопнтоской структур и фазового состава. Следовательно контроль структурных параметров необходим на всех этапах разработки и изготовления зяицитм-пс лирояических покрытий и матричных графитов твэлов ВТГР. Наиболее широко для этих целей до сих пор использовались рентгенография и электронная микроскопия. Однако,для исследования и аттестации данных материалов с большш успехом ко:гот быть применен эратий прямой дкфракциокныП метод структурного анализа - нейтронография, который из-за некоторых особотшостеЗ взагглодпйствггя нетронов с твзрдым телом, в частности, отсутствия угловой зависимости амплитуды когерентного рассеяния и большей лроникауд'эй способности, чем у рентгеновски лучей и электронов, позволяет получить более полнуэ и достоверную структурнуа ИН|)ОрмаЦИИ.

ЦЕЛЬ РАВОТЫ заключалась в создан™ методик и определении с помодья нейтронографии основных параметров атомной и надмолекулярной структуры конструкционных материалов твэлов ВТГ? на основе углерода и карбида кремния в зависимости от условий их получения и прогнозировании на основа получе;шых структурой данных эксплуатационных свойств этих материалов.

НАУЧНАЯ ШИША состоит в целенаправленном применении нейтронографии для определения атомной и надмолекулярной структуры конструкционных материалов твэлов ВТГР при реализации которого получены новые результаты:

- предложена методика количественного определения совершенства атомной структуры карбида кремния в смешанных покрытиях;

- разработано устройство для монохроматизации холодных нейтронов -фильтр нейтронов кратных порядков отражения, признанна изобретением (а.с. $ 1512389);

- определены степени несовершенства атомной структуры пироуглэродных, карбцдокромгтповкх к смешанных покрытий, анизотропии матричных графитов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ. Полученные зависимости параметров атомной и надмолекулярной структуры конструкционных материалов на основе углерода и карбида кремния позволили объяснить поведешо этих материалов в экстремальных условиях , прогнозировать их раднационно-физические свойства (прочность. радиационную стойкость, газопроницаемость) и были использованы в НПО "Луч" при комплексной аттестации характеристик покрытий микротвзлов и матричного графита твэлов ВТГР, что подтверждено актом об использовании результатов работы. Предложенные устройства для монохроматизации тепловых и холодных нейтронов (фильтр нейтронов кратных порядков отражения и светосильный кристалл - монохроматор) существенно расширяют возможности нейтронографического эксперимента и могут быть использованы во всех ядерно-физических центрах для повышения интенсивности пучков монохроматических нейтронов.

ДОСТОВЕРНОСТЬ результатов подтверждается большим объемом согласующихся экспериментальных измерений выполненных с помощью прямого метода структурного анализа, применением современных' математических методов и вычислительной техники при обработке экспериментальных данных , подтверждением ряда структурных

• а

параметров, определенных в диссертации нейтронографически, в независимых измерениях методами рентгено- и электронографии, а также литературными данными.

IIA. ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:

-параметры атомной и надмолекулярной структуры покрытий из пиролитического углерода, карбида кремния, их смесей, матричного графита и его компонентов, а также их зависимости от условий изготовления;

способ определения концентрации одномерно-разупорядоченной фазы в карбиде кремния по уширени» основания дифракционного максимума;

- способ изготовления из пластин фторфлогопита кристалл-конохроматора тепловых и холодных нейтронов с повышенной светосилой;

- устройство для тнохроматизации пупса холодал нейтронов -фильтр нейтронов кратных порядков отражения - состоящее из поликристаллического бериллия и квэзимонокриоталла пирографита.

АПГ0ПА1Г/Я РАБОТЫ. Результаты работы докидывались на научных конференциях Шч>И (Шсква, 3934, 1987 г.), Межотраслевом cowarape чАчомно-водородная эиьргетика и технология" (Москва, 1989 г.), мсшграслввых сокинарлх "Проблемы обработки твзлов на основе микротвзлов для RTГ?" (Подольск, 1385-1989 v.r.). Уральской кколе по использованию рассвеяния нейтронов в физике конденсированного состояния (Заречный, 1939 г.)» Всесоюзном коордш.ацпошюм совещании по использовании ядерных реакторов (Сбшшск, 1988 г.), :<: рабочем ссвецгют по использовании нейтронов в физике твердого тела (Ленинград, 1931 г.).

ПУНЕ'1КЛЦИИ. По материалам диссертанта были опубликованы 4- печатные partOI ы.

СУГК-'КТУРА ДИССКРТА1Глй. Диссертация состоит из введения, трех глав

и заключения, содержит 121 страницу машинописного текста, включая 24 рисунка, 10 таблиц и список литературы 121 наименования.

СОДЕГНАШЕ ДИССЕРТАЦИИ

В разрабатызнемых ВТГ? модульного тина предполагается использовать дисперсное ядерное топливо (микротвзлы) в виде кераюкеских микросфер, герметизированных четырьмя защитными слоями пиролнтического углерода и карбида кремния /I/. Защитные покрытия наносятся на микросфоры в аппарате ксевдоозитапнного слоя и должны обладать елэдутаими свойствами: механической прочность«, химической и радиационной стойкости», герметичностью по откокенил к продуктам деления. Микротвзлы, в свою очередь, запечатываются в п^тякенные грунтовые блг>ки сферической или призматической <1ормы (твэлн). К материалу твэлов предъявляю ия те зг» жесткие требования, причем необходимые свойства должны достигаться без ньк.;окот(-мперл гурной (более 1800° С-) обрабс/гки графит-а, чтобы lie ухудтоггь характеристик занятных пиролитических покрыта. В качестве материала твэлов предполагается использовать композиции a.i порошка графя га, цементированного каменноуюльккм пеком шк пиролитичнеким углеродом.

Пироуглеродные зонные покрытия ьдаиот валов служат основныч барьером на пути миграции из топливное ккрна продуктов дел'-.кия. обеспечивает целостность конструкции микротвэла в процессе прессования твалэ и химическую защиту слой карбпла кремния. В зависимости от условий г.кнгеял в аппарате ]к".е;<л"ол:-г*;?-.1Г"0Г0 слоя: тем.-.мрлгу]1Ы, вида таяя-рьмткпа к т.п. пироуглеркхдкь»« лок^ь-тия мигуч бы1ь вксоколл-л ными, упорядочени-ми нл основе кристаллической решетки графила, или рыхлыми, амортизированными. Соответственно, в широких пределах изменяется и физические характеристик*; таких покрытий. Степень совершенства атомно-кристалличеокой структуры пироуглеродньи покрытий принято характеризовать следующими параметрами: коэффициентом анизотропии, средним размером атомного слоя и толщиной пакета такта слоез, концентрацией мнкролор со средним размером порядка 10 нм. На

в

основе ре.отгенодифрйкционньж и электрономикроскопических данных введена классификация микроструктуры покрытий с точки зрения способа объединения кристаллитов в более крупные агрегаты: мозаичные, волоконные и слоистые /'2/, Информация о типе структуры пироуглеродных покрытий . средних размерах кристаллитов и кикропористости позволяет достаточно надежно связать параметры процесса осуждения со свойствами осажденных защитных покрытий.

Карбидокремниевые занятные покрытия герметизирует микротвэлы по отношений к твердым продуктам деления,, играет важную роль в механическом совершенстве частицы за счет высокой стабильности с: с под облучением. Спои карбида кремния осаздактся в аппарате асевдоонижшного слоя терморазлогкенкем метилтрихлорсилэна з трисутствип водорода (и аргона) при температурах 1500-1700° С. 'читается, что необходимыми свойствами могут обладать зксогсоплотнна. стехиомр.тричныд, монофазные, стабильные до 1000° С ;:с покрытия. Экстремальные ус-оовия пиролэтического осаждения, будучи неравновесными. могут приводить к синтезу материала с ^фектноД атож-го-крксталпкческоа структурой. Дефектность ■ыракается в нарушении порядка упаковки атсмнък слоев, либо в 'боазонанзгл метастабшгьных политипов карбида кремния. Контроль труктурнмх парагдэтроз осуществляется, как правило, методами ентгенографш! и электронной микроскопии. Однако, анализ птературнык данных позволяет сделать вывод о слабой увстзгггальностк рентгенографии к дефектам упаковки атомных слоев, аополо/онньас параллельно поверхности осаздения сю покрытий. Ке вшвн такзчэ в настоящее время вопрос о природе тонкой полосчатой груктуры с периодом 20-Ю нч, видимой на микрофтограф&к Зразцов /3/.

Матрнчныз композиции на основа порошков графита и ?монкоуголъного пека в качестве связуэдего предполагается •-пользовать для компактировачия мпкротвэлой в протяженные блоки I/. Известно, что графит, применяем в качества наполнителя, leer кристаллическую решетку с сильной связью aiомов в атомных госкостях. Мгсгду собой атомныо слои связаны слабыми 1н-дер-Заальсозь?.ч! силами, что опредэхяет высокую анизотропию

свойств кристаллита и проявляется в текстурируемости порошков при прессовании. Степень текстурируемости материала зависит, главным образом,от способа формирования изделия и степени анизометричности частиц порошка и исследуется измерением электросопротивления . или прямым методом структурного анализа (рентгенографией) по интенсивности дифракционного отражения от атомных слоэв.

Каменноугольный, пек представляет собой неравновесную углеродную фазу с аморфизированной структурой, степень порядка которой повышается с ростом температуры обработки. Известно, что трафпгация турбостратного углерода протекает обычно при температуре выше 2200° С, но для неокис лонных, богатых водородом коксов температура графитации может погашаться на несколько сотен градусов.

В диссертации отмечаются преимущества метода дифракции нейтронов перед более распространенным методом рентгенографии при исследовании совершенства атомно- кристаллической структуры Фрагментов покрытий сферических частиц и образцоз композиционных материалов на основе графита. Преимущества обусловлены большей проникающей способность*) нейтронов по сравнении с рентгеновскими луч«ми, возможностью использовать длинноволновое изучение для исключения многократного рассеяния на малых углах.

Измерения порошковых нейтрощцфракционнмх картин на больших углах рассеяния проводились на двухосном дифрактометре с суперпозиционной 16-ти детекторной системой регистрации нейтронов, расположенном на горизонтальном канале КЗ ЮТ ЮЛ /5/. Длина волны монохроматических нейтронов составляла 0.1064 ш. Малоугловые дифрактораммы измерялись на универсальной нейтронографической установке Шу'Л, созданной на горизонтальном канале КЭ на базе дифрактоыетра си-50: польского производства и сдвоенного монохроматора нейтронов В качестве

кристалл-монохроматоров в этой работе использовались ' пакеты пластин фторфлогопита, что позволило получить монохроматический пучок холодных нейтронов в широком диапазоне длин волн: 0.5-1.3 нм. В экспериментах, описанных в • диссертации использовались нейтроны с х=0-7нм- Фильтрация кратных порядков отражения

осуществлялась пропусканием пучка нейтронов через поликристалл бериллия. Для повышения светосилы установки были разработаны специальный способ укладки пластин фторфлоготтита и оригинальный фильтр кратных порядков отражения применение которых привело к суммарному 4-х кратному росту светосилы установки. Далее приводится описание этих устройств.

Монокристаллы фторфлогопита имеят высокое мешлоскосткое расстояние (О.98 юл) и могут применяться для монохроматизации холодных нейтронов с длиной волны до 1.8 нм. Средние толщины таких монокристаллов составляет 0.5 мм, причем отражающие плоскости в них всегда параллельны поверхности. Для получения отралэтпюго пучка нейтронов с максимальной плотностью пластины должны собираться в пакет толщиной 6-8 мм.В данной работе было предложено расщеплять пластины фторфлогопита на тонкие слои а и укладывать их в пакет со сдвигом на величину ь = что позволило

получить угол р мааду отракамами плоскостями и позерхностьа пакета и, в соответствии с выражением:

к-2з 1с о+р >/; з а п< в +р)+з; п( о -р))

при оптимальном угле /?=э/2, где 2о--40 град. - у гол рассеяния, получить выигрыш (>•) з плотности потока монохроматических нейтронов в Т.5 раза.

Пучок нейтронов, отраженный крикталл-монохроматором, содсригг помимо оскозной двины волны х ряд кратных - х/п, где п - целое число, для исключения нейтронов с кратными длинами волн моивт использоваться поликристалла ский фильтр из бериллия, им&щий граничную длииу волны поглощения равную 0.335 им. Для повышения эффективности фильтрации предложено выводить из пучка наиболее интенсивную компоненту сряди нейтронов кратных порядков отрадная с помощью кристали1-;.;о;;охроматора из тфографпта, расположенного под углом ф к осп нейтронного пучка. Угол ф выбрался го условия Вульфа-Врэтта:

1 ' 2с!з ¡,-.('с\

п

где а - мв:;,плоскостное расстояние в пкрографт». Рззлизация предяоквнного устройтсва позволила при сохранении коэффициента Фильтрации уме?1ьшить рабочуз длину поликристалла бериллия и

получить за счет этого выигрыш в светосиле в 2-3 раза.

Метод калоуглозого рассеяния зфимэнялоя для определения концентрации неоднородности плотности (пор) со средним размером 10 ш в пироуглеродкых покрытиях микротвзлов. Известно /6/', что дифференциальное сечекиа рассеяния тепловых нейтронов б расчете на один атом образца описывается выражением:

V

где н - число атомов в образце» 2 - вектор рассеяния, р(г) -[функция плотности амплитуд рассеяния. В явном виде ото выражение может быть записано для объектов с простой геометрической формой, например, для системы шаров радиуса н. Основной вклад в кринум |-,л;:оуглового рассеяния под углом, соответствуадим к нм"1

о

вносят неоднородности плотности диаметром 10 нм. Учитывая коллимационные искажения (бесконечно высокие и узкие цели) и аппроксимируя кривую рассеяния на углах функцией вида

дел рс -вги2)г было получено следующее выражение для концетрации неоднородностей плотности размером 10 нм:

17=:.28* Юв-Е-Р „ 'Б *1(* )/п , оОр кас 4 о обр

где :с) - измеренная интенсивность нейтронов .рассеянных при «=0.45 нм"*, п^р и ро0р -масса и плотность материала образца, 2касс ~ освещенная площадь кассеты образца, участвующая в рассеянии. Чувствительность метода, определенная из последнего выражения, составила 0.Г>? для пористости выбранного размера.

В диссертации описаны результаты исследований совершенства атомной и надмолекулярной структуры пироуглвродкых покрытий, проведенных на серж образцов, синтезированных в широких интервалах температур ( от 1300° до 2000°С) из метана, пропилена к ацетилена ГЗз. Покрытия осаждались на сферические имитаторы мккротвэлов в аппарате псевдослучайного слоя цилчндро-кокотеской конструкции. Установлено.. что все образцы пироуглеродных покрытий имеют разупорядоченкуа атодао-кристалпич&скую решетку на основе решетки графита. По степеда совершенства структуры образцы б-лли распределены кэ дв» группы: ннзкотемп&ратуряна (7^<150ЭоС) с

меньшей степень® ¿томного порядка и высокотемпературные - более упорядочение- Различие в степени атомного порядка, определенное качественно по интгчисганос-ти дифракционных максимумов на ней грснограммя а , подтверждается расс-читаккьми структурными параметрами: средним мекгиюског.ткым расстоянием, средники размерами- областей когерентного рассеяния з базисной плоскости и перпендикулярно ей, концентрацией неоднородности плотности (пор) со сродним размером 10 нм.

Средтп:е мезтлоскостныа расстояния для всех измеренных

образцов превьпмюг значение 0-344 нм, что характеризует материалы как двумерно-упорядоченные турбостратные. Наибольшее значение ¿^д,, имеют образцы, осажденные из ацетилена ¡1 проп;игона при температурах осаждения до Т500°С- Покрытия, осаженные из метана при 19СО-2СОО°С кмезат кежплоскостше рассгояшо близкое к зязчппкм 0.344 им- Среднее размеры областей когерентного рассеяния (высота пакета атомных слоев) рассчитывались по формуле Селякова-Шеррера из ушрения дмфрахциошюго макс;--ума (002). Гост температуры осаядеиия ттр^одит к уваигсоттз высоты пакета атомных слоев (от Г> до 20 нм). з повышение скорости осаздвния за счет большего расхода газовой смеси - к его сншкэнпв-

"■е то дом малоуглозого рассеяния определялась концектра;пш в покрытиях неоднородноствй плотности (пор) со средним размером 10 им.Сбнаруяэно,что пористость такого размера сксчавтся с ростом температуры осйяя&ния от 4 до 0.4 объемных процентов, независимо от вида газов-реагентов. Пористость повышается с ростом концентрации газа-реагента в рабочей смзси-

На основании определенных параметров структуры, исследованные пироуглеродные покрытия были классифицированы по типам макроструктуры (принятым в литературе): мозаичной, волоконной и слоистой- К первому -типу относятся выс-окоплоткые образцы, осажденные при низких (до 1400°С) температурах. Покрытия малой плотности , синтезированные при средних температурах. имеет золоконную структуру, доля которой с-нижззтся с ростом температуры оезкдекия и при 2000°С полностъп замещается на слоистую. Полученные данные о макроструктуре поззолявт связать оспозкыз

И

физические параметры синтезированных пироуглероднык покрытий (прочность. теплопроводность. газоплотность. радиационную стойкость) с условиями их осаждения.

Вторая группа материалов состоит из двадцати образцов карбидокремниевнх и смешанных покрытий микротвзлов, полученных пиролитическим осаждением на имитаторы микротвзлов в ашгарате нсевдоожтдаеннот'о слоя, аналогичном использовавшемуся для осаждения пирсуглеродных ' покрытий. В процессе осаждения изменялась температура синтеза и состав газовой с-меси-

Для всех материалов были определены: фаговый состав, размеры областей когерентное рассеяния, концентрация кубического политила в карбиде кремния- Последний параметр определялся двумя способами: для чистых карбидокремниевых покрытий - из относительной интенсивности дифракционного максимума (002). а для смеианных по}фытий - по степени искажения основания максимума (III). Было отмечено, что на рентгенограммах аналогичных покрытий соответствующие искажения отсутствуют (Рис.1), что говорит об предпочтительной ориентации дефектов упаковки атомных слоев параллельно поверхности. Для расчета концентрации кубического политипа по второму способу семейство рефлексов в районе углов рассеянии 2*=20-2G град аппроксимировалось выражением:

Г 2 2 1

IU) - Е А.охр [~(х-2(Э. ) J + ах •» Ь .

где х - текущая координата по оси -а., 2й. и а -амплитуда, угловое полозг-нке и дисперсия 1-го максимума; ах+ь - линейная Функция, описывается фон- Взличины а . > oi являлись варьируемыми параметрами и определялись подхошой 11>адк&!ггньы методом- Угловое положение ■ соответствовало трем метюскостнш расстояниям 0-7,511 км. <-'g=0- 2616 нм. Jg=0-7,414 нм- Для 'четырех карбидов получили одинаковое и каксималыкю отношение интенсивностей (A^j/iA.o-jj, что позволило-сделать вывод о полном одномерном оазугюрядочении в них решетки карбида кремния и получить нормировочный коэффициент для определения доли кубического

Л/дал I *1Q-3

5

f

J

Q.

\

5.

20 22 2h " 33 J5 37

Рис- I- ДпФракциошмй максимум семейства плоскостей (III) sic покрытия с одномврно-разупорядоченной структурой полученный при рассеянии а)нзйтроноз. б)рештеновских лучей-

1200

1300 то сто 1ьоо

ТосХ

Рис. 2. Доля одномерно-рззупорядоченкой фазы в sic

покрытиях в зависимости от температуры осаздения и концентрации мвтшггрихлорсилана Сз %) в газовой фазе. Сплошная линия - данные работы /3/.

$

1

политика:

= 1 - ■l.53.(A2.o-2)/(Al-«,1).

В ходе исследований получены следумчие результаты. Все образцы карбидокремшевнх покрытий. осажденные из смеси газов метилггрихлорсюмня, метана и водорода состоят из двух фаз: карбэда кримния и турбос.траткого углерода. Относительная концентрация структурно-упорядоченного углерода определяется долей мотана в газовой смеси и повышается с ростом температуры осакйадгая.

В Пдиычинстзо материа.лов обнаружено шзкоо совершенство крист<иш!чьскг>й структуры фазы карбида кремния (Рис- 2). Доля кубического полнтктта в смешанных покрытиях не превышает 70 обш>иых процентов. а в нонофазных - 40-60 обьнмкых процентов. Установлено, что концентрация кубического политипа определяется, з основном, содержанием метилтрихлюрсилана в газовой смеси. Рассчитанные да уииреьия дифракционных максимумов средние размеры кристаллитов с кубической симметрией для больпгднства образцов существенно меньше ( в 2 раза) средних размеров кристаллитов вместе с дефектами упаковки атомных слоев- Следовательно, дефекты группируются в протяженные области, размер которых сравним с. тсиш^гной бездефектных пакетов атомных слоев ( 25 ш). Этот факт подтверждает гипотезу об образовании "вторичных" слоев, вяадтьпг на микрофотографиях образцов, нарушениями порядка упаковки крж^ал.тичег-.кой раыетки в стьхио^егрмчееких конусах роста sie.

Структура углеродной компоненты смошакньйс побитий близка по свои») -ларомвтр&м к структуре чистого пироуглерода. осаддерглого в близких условиях- Совершенство ее повышается с ростом температуры осаздения-

Часть образцов карбидокремниевьк покрытий была подвергнута высокотемпературному отнигу (Тотм=1в00оС). что привело к заметному упорядочение структуры карбида кремния- В 1-5-2 раза возрос средний размер кристаллитов, доля упорядоченной фазы возросла на 20-30 процентов. Фазс^ый состав образцов не из«енияся- Наибольшая стабильность структурных параметров обнчрунена у материалов с е.г.*А1-и1.анкой ат^хно-кристадличмской структурой, осавденкьк при

минимальных концентрациях метилтрихлорсилана и температуре осэздения 1600°С.

Третья группа исследованных материалов - наполнители ' и связующее матричных графитов, применяемых для изготовления шаровых твэлов ВТГР.

Для трех порошков графита: зоттг. ?.ГПГ-? и ШГ-Р, уплотненного тонким слоем пироуглерода, -'были проведены исследования текстурируемости - вероятности предпочтительной ориентации кристаллов графита при приложенном вк&аг<.-;л давлении- Для этого была разработана методика прессования порошков в тонкостенной цилицяричвской кассете диаметром 10 мм. использующейся в нейтронографичБских измерениях- Степень анизотропии (вдг) определялась по соотношению интенсивностей дифракционных максимумов двух взаимоперпеадгасулярных атомных плоскостей (002) и (110), измеренных из порошковых дифрактограмм исследуемого и калибровочного образцов.

Обнаружено, что степень текстурирозэнности проссозанных порошков графита зависит от трех факторов: давления прессования, марки порошка, соотношения фракций порошка графита разной степени дисперсности. Заметная текстура проявляется при давлении прессования 300 Ша. что выше давлений, используемых в .принятых технологиях изготовления твэлоз- Максимальную текстурируемость при таком давлении проявляют порошки марки ЗОНТ с вдг-•.з;, меньшув - порозки марки МПГ-Р мелкой Фракции (-0.05) мм (степень анизотропии раина- Т-13). Смесь порошков ШГ-Р двух фракций (-0.05) юл и (-0.4+0-15) мм и порошки дополнительно уплотненные тоткпм с-ж-ем лироугл^юда с точностью до БЯ изотропность сохраняют. Измерение Фрагментов твэлов. изготовленных из матричных композиций по отлндлртн« -й технологии показало, что они такне изотропны.

Проведены исследования соьершене-тва связующего матричных графитов - коксов на основе средне- и высокотемпературных каменноугольных пеков марки "А". Показано, что степень атомного порядка в этих материалах существенно повышается с ростом температуры обработки. Так атомная структура образцов коксов, термообработэнкых при 600°С сильно разупорядоченна,

аморфизирована, содержит значительное количество (до 10 атомных процентов) связанного водорода'- Протяженность атомных слоев не превышает I им. а количество слоев в пакете - 7,-2. При повькэнии температуры обработки до 1200°С выделяется основное количество водорода, упорядочиваются и достраивается атомные слои- Средний диа?-'.етр атомного слоя достигает 4-5 нм, а количество слоев в пакете - 6-8. Материал остается турбостратньи. При 1800°С продолжается быстрый рост толщины пакета атомных слоев до 10-12 нм (30-40 слоев), а рост диаметра слоя замедляется, достигая 6 нм. Атомные слои упорядочиваются между собой - материал частично графлшруегсн до 603- Такое ратшее начало графитацип объясняется наличием внешнего давления на стадии карбонизации каменноугольного пека и определяет высоки» маханичоясио и радиационные свойства связу/кцего матричных графитов-

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

I. Определены основные зависимости параметров совпрзен&тва атомной и надмолекулярной структуры от условий осдадения шфоуглеродних покрытий млфотвплов: вгь-ичкна м^ллоског-.ткога р^сото.чнкя удоч№*АТся. размеры областей когерентного рассоякпя растут. кояцетр''.1ич ммкро'юр у»ен';<1ае'|'«я, о ростов тмякфатупа ооаадения. 0бнару;.,ьпы отличия по орлйНс-чта о .;пггерлтурп;--!л дзшюКЧ В Зависимостях КО>8'.енТра!(1Ги кккроиор о г температуры осяцкапия: у покрытий, полученкьк из метана, с ростом температуры от 1300°С до 20ГГ/:С концентрация мккропор «икается. резко снижается кокценграцдч микропор при побкз^кии - температуры от 13С0°С до Т400°С- у покрытий. осааденкых из пропилена- Сдо чан прогноз об основных физических характеристиках покрытий; наибольшей прочностью и радиационной стойкостью должны обладать плотные покрытия, осажденные из ацетилена при 1500°С, наименьшей газопроницаемостью покрытия, осажденные из метана при 1500-2000°С-

2- Получены зависимости 'фазового состава, совершенства

атомкс>-кристА!У!кч№кой структуры карбидокремнпевкх к смешанных покрытий микротвзлов от условий штролитического осаждения. Установлено, что доля структурно-упорядоченного углерода ' в покрытиях растет с ростом температуры осэждешя и концентрации метана в газочоЯ смеси. Атомная структура углеродной фазы близка к структуре чистых пироуглеродньк покрытий. нанесенных в- сходных условиях, а ее совершенство растет с ростом температуры оса^ония. Фаза карбида крй^ния представлена кубическим политипоч ft-ZiC с нарушениями упаковки атомнък олооз. параллельных поверхности иокрыгин. доля одномерно-разу1к>рядо->еннь!"х областей в структура карбцда Kpw-.w paco читквалась но предложенной оригинальной методике из умирания основания /(»¡.ракцкоячмх максимумов. Показано, что в смешанных покрытиях она близка к ТОО'?, а з чисто кзрбвдокремниевьог покрытиях определяется концентрацией квтггри«лс>рси.плнл в газовой смеси, чмзоьь'-й состав и структура наиболее совершенных карбидокримши-внх покрытий ко измопяэтся при высокотемпературном ота:нга до Т8С0°С.

3. Обнаружена тпкстурируемость порогаков графита марки ЗСПР и мелкой (-0-05) мм фракции графита марки iwIT-P при давлении прессования з &Г7а- Показано, что при том ьъ давлении порошки графита марки. МПГ-Р крупной фракщги (-0. 4+0- TR) мм и уплотненные сло«ч пироу глеродэ изотропность сохраняшт.

4. Определены параметры совершенства атомной структуры связующего матричных гр^фитов-кокс.ов на основе средне- и высокотемпературных пеков марки "А" в зависимости от температуры обработки- Показано, что атомная структура коксоз. термообработанных при 600°С, амирфизпроз^на, содержит ТО атомных процентов водорода, а при Т803"С структура кокса значительно упорядочивается, частично графитируется-

5. Предложен и реализован способ изготовления светосильного кристаллл-монохрочатора тепловых и холодных нейтронов из пакета тонких пластин фторфлогопита с углом Фэнкухена меуду его поверхностью и отражаз^ичи плоскостями, который позволил повысить плотность потока отраженных- .нейтронов в 1.5 раза по сравнении с монохроматором в виде плоского пакета.

6. Разработан и изготовлен фильтр нейтронов кратных порядков отражения (Л.С.# 1512389), использувдий сочетание поликристаллгине.ского бериллия и квазимонокристалла лирографпта, ориентированного под углом ф к оси пучка нейтронов, который" позволяет выводить из пучка нейтроны наиболее интенсивной "паразитной" компоненты. Новый фильтр имеет в 2.3 раза более высокий коэффициент пропускания для длины волны р. 7 нм по сравнению с традиционным из поликристаллического бериллия.

ОСКОБТЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДЖГЛ-ЕТА1ГЛй ОПУБЛЖОп/.Ш В РАБОТАХ:

¡ИЗ. Батурин В.Г., Зелегаж Ф.М., Короткеэич В.7/. Универсальная нейтрон-дифракционная установка для исследования структуры и неоднородностей плотности аморфных и кристаллических веществ. В сб. "Ядерно-физические методы и установки".-М.:Знергоатомиздат, 1534, с. РТ-6В.

С23. Батурин В.Г., Зеленок Ф.М., Петрунш В.Ф. йпльтр нейтронов кратных порядков отражения. А.С.й 1512333, 1933.

С32. Батурин В.Г., Круглов З.Н., Курбатов С.Д. и др. Исследование ' иироуглеродных покрытий микротвзлов метода?«: нейтронной и рентгеновской дифракции. - Атомная энергия, 193Т, вып. 3, с.151-155.

С''О • 'Батурин В.Р., Зеленюк Ф.М., Петрунин . В.Ф. и др. Кейтронографическое исследование структуры материалов твэлов. ЬТГР. - Вопросы атомной науки и техники. Сер. "Ядерная техника и технология", 1930, вып. 2, с.83-63.

СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.

/I/. Костиков Л.Е., Левозэцкий В.В. Проектирования

теплоБьдедау.ГцГ!х элементов высокотемпературных газоохлатдаемых

1.8

реакторов. М.: Энергоатомиздат, 1983, с.30.

/2/. Guillaray J. Pyrocarbon coating of Nuclear Fuel Particles in Chemistry and Physics сГ Carbon, -New-York, 1979, u.15,-210p.

/3/. Ford L.H.■ Uaikor D.E., Forgusscn I.F. Fluidized Bed Pyrolytic Silicon Carbide, in: Special Ceramics 5, -Stocke-on-Trenl, 1972, p. •i9-o9.

/4/. Черников А.С. Топливо и твэлы ВТГР. - Атомная энергия, 1988, т. G5, С. 32-38.

/5/. Лабораторный практикум: Применение дифракции нейтронов для структурного анализа материалов, под ред. Петрунина Б.Ф., И.: WiWF, IS83, -55р.

/¿/. Нозик Ю-3., Озеров Р. П-, Хениг К. Структурная нейтронография, т. I. -М.: Наука. 1979. - 341с.

/7/. Sainier Д., Fo-rnet G. Sraa11-Ап£le Scattering of X-rays, -London, IJc-u-york, 1955,- 217p.