Экспериментальное исследование ядерно-химических процессов, идущих в боросодержащих материалах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

грулЖлл.! тшшсх«.. /»¿!№;рсигь"г

ргб ГИШ

г ■ ■ M ! ~

: и I

на правах рухотми

Хойззэ :1эАэ Иосифовна

Ьг-.спер'/'^птзпьиое кеч t.ü:s¡ ■ -;наз илерпо-хичич^ск'.и

с

лроцессов, идущих в öopco/onsiqüx >.'э тер/о л эх

С1.02.15-Хамвчвсг«8я Физика, лкпючая чшъкз горой:::!

И Btpus03

â ВТ 0P34ÎPÎ I

5И5свртза2а нэ со::з:-:вн2е ученной cisnôHi»,юйдЯкЭз* х:г.-::чзз::::х ни ух

РаОотэ випоинена в институтз фазах«'АН Грузия и Грузинском Техническом Университете

Научный .руководитель: -.Доктор химических и?у<с, профессор Т.В. Цецхвадне •

Официальные опон'енгы: Доктор хвлгюоках наук Р. Тущурашвили

Доктор физико-иатензтичесхих наук Т. Мзроагиавили

Защита диссертации состоится в Грузинском Техническом Университете, ? M0I.02.cN 1-7 на заседании нзучно-зтествционного совета " » 1993г. ч., по адресу: 380075, Тбилиси, ул. Кост=ва 77.

С диссертацией мокко ознакомится в научной библиотеке Грузинского, Технического Университете

Автореферат разослан '»$()« ЁМ^АМЗ« 1993г.

Ученый секретарь научно-атестационного совета, кандидат физи«ю-Я8теаата?воках

КЕ;/:< Р.Чпковэни

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЮШ

Актуальность труп. Для развития атомной энергетики трс-бугтся материалы, котсрие будут устойчиво работать прсдолм-тельяоэ время, облучаясь нейтронами, ^ - квантами, асколка-ми деления, а такно в условиях высоких температур, йсследова- . ния влияния облучения на í.:¡зкко-ме-эиическао свойства этих материалов дали толчок для систе^зтичесиого изучения радиационное надгний материала, что со сьоей сторона позволяет вияс-иять природу радиационных изруаений и помочь решения ряда практических задач, вогнжаеткх при яросктароваиим ядершх реагло-роз.

Экспериментальные исследования доказали, что наиболее приемлемыми о точка зрения эф£ектавяостл, поглотать ли на основе борз, гак как оя ксгег погяоца» 8Ü-55/J иадагхшг на пего нейтроноЕ» а также удовлетворять главное гребованнз - поглодать нейтроны не образуя новых нейтронов в услоз: :х облучения. Таким материалом является карбид бора. Известно, что.содержание бора сяикаез зрсзио поверхности, поэтом/проводятся исследования новых борсодзрхзщих графитовых мате pía лов, например углеситаллов.

В связи со всевозраставдга значение)! аьзеуказанных материалов возрос интерес к процессам взаимодействия потоков изотопов водорода с этими материалами. Частицы водорода, падзщие на первую стенку тормо-ядеряых установок (ТЯУ) будут обладать энергЕей от тепловой до десятков язв. Следовательно, взаимодействие таких частиц с поверхностью ВцС попадаот в энергетическую

область "горячих" взаимодействий в могут повести к образованию летучих соединений, которые могут ухудиить рабочие характеристики плазмы. Подобное же влияние оказывают и продукты в займе действия имплантированных в В^С частиц, диффундирующих к поверхности при высокой температуре. В функционировании ТЯУ дополнительные проблемы могут создать и атомы изотопов водорода, накопленные в объеме материала. Учитывая выпесказанное, но 1:ио заключить, что вопросы о механизмах разрушения решетки ВцС под воздействием потоков изотопов водорода, о влиянии накопленного водорода на формирование и эволюцию дефектной структуры являются актуальными для современной радиационной физики твердого тела.

Заметим, что воздействие облучения на В^С и графитовые материалы, в основном проявляется в образовании и выделении радиактивного изотопа водорода-тратия (Т^ я 12, 34 г), который может проникнуть в окружающее пространство. Следовательно, исследованные в диссертационной работе вопросу о выделении и удержании трихиевой активности характеризуются исключительной актуальностью, так как включаются в экологический аспект проблем тар.

Цель работы.состоит в исследовании кинезяки выделения трития, степени удераания тритиевой активности, химической природы тритийсодерхащих продуктов в условиях облучения тепловыми нейтронами в вакууме или в атмосфере 5Не образцов ВцС, графита марки МЯГ-В и углеситаллов. Затем экспериментальные результаты сравнивали и были сделаны выводы о преимуществах и недостатках. указанных облученных материалов.

Научная новизна состоит в том, что единой методикой были

исследованы облученные в идентичных условиях тепловыми нейтронами большая группа образцов, что дала возможность сравнения свойств этих материалов, их поведения в условиях реакторного облучения. Если на сегодняиний день пострадиационная дефектная структура карбида бора хорошо изучена, то ми исследовали кине-> гику выделения тритиевой активности, удержание трития и природу тритийсодеряацих продуктов - следовательно ни исследовали поведение трития в образцах как единый результат воздействия облучения на образцы, что дает возможность сделать вывод о применяемости указанных иатерюлов в ядершх реакторах.. Что касается углеситалла, то он является новый экспериментальный реакторным материалом и исследовательски работ о его поведении в условиях облучения практически не существует. Следовательно, исследование вшеуказаккых процессов в углеситаллах само собой является научной новизной.

Положения, вынесенные на защиту: Исследовагле кинетики выделения и удержания тритиевой активности, природа тритийсо-держащих газо-продуктов в облученных нейтронами I. ВцС, 2.графи те марки ШГ-8, З.борсодержащих угдеситаллах, а таюда исследование влияния на образцы имплантации извне высокоэнергетачных атомов трития, предварительной имплантации высокоэиергзтичнши ионами чяе*, введения в качестве примеси в углесителлах. :'? •"'йрзкткчеекая ценность состоит в том, что исследуемые матерка лы- карбид бора, графит, углеситаллы является значитель-Н1Й1й рйаЧсторными материалами, а исследование поведения трития, проводится в условиях близких к реальным условиям эксплуатации

у '

в ТЯ и ядерных реакторах. Изучение поведения трития дает шфор-иацив о радиационных процессах, идущих в материалах с радиационными наруаенияии,

.,■'-;.'..■■'/'•■■ С,

Карбид бора применяется в системах управления и защиты ядерных реакторов, следовательно исследование радиационной стойкости, структурной стабильности, целостности материала, хорошего газовыделения ( для негерметичных конструкций) имеет болъиуи практическую ценность.

Карбид бора применяется в качестве покрытия графитовых экранов первой стенки, следовательно исследование облученного нейтронами графита и сравнение с карбидом бора такхе имеет практическую ценное7

Исследование радиационных процессов, идущих в углеситадлах так~е имеет практическую ценность, так как является часть» обще;: ярогра:.т.и подбора новых борсодержащих реакторных материалов с улучшениют обо ;!ст1зал;и.

МцюСпиия роботы. Результаты диссертационной работа докладывалпс «а: всесоюзно!! конференции " Радиационное воздействие на материалы термоядерных реакторов, - г. Ленинград, 1990 г.; Пятом всесоюзном совещании " Радиационные гетерогенные процессы "-г. Кемерово, 1590г. Восьмом мезщународном симпозиуме "Ядерная химия, радиохю«:зя и-радиационная химия" >- г.Талука,-Мексика, 1990г. > .

Щбдикации. По материалам диссертационной работы опубликовано ьесть работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит аз введения, четыр! глав, выводов и списка литературы. Работа содержит 143 страницы машинописного текста, 55 рисунков, 19 таблиц, библиографический спис зклачавдий 139 наименований.

- ? -

СОДЕРЯЩЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность теки диссергаш-онной работы, дается краткий обзор исследуемых материалов и возможностей их применения в современных и будущих ТЯ и ядерных реакторах.

В первой главе по отдельны« параграфам представлен литературный обзор, который содержит общую характеристику-В^Ст, графита и ситалла, описание радиационных процессов как следствие облучения, проведен анализ о современном состояния проблей, рассиотренных з диссертационной работе.

В первой параграфе представлена общая характеристика карбида Сора, его энергетический спектр, свойства карбида бора, обогащенного изотопом до разной степени приведены в таблицах. Затем рассиатривоется структура карбида бора в ромбоэдрической и гексогональясЯ модификациях с соответствующими параметрами кристаллической решетки, описывается икос-эдр - структурный элемент карбида бора, а также распределение икосаэдров в примитивной ромбоэдрической ячейке и распределение атомов бора и углерода в базисной единице. В этом параграфе приведена характеристика ковалентной связи ивжду атомами бора и угле рода, элементы симметрии примитивной ячейки, электронные состояния атск&'-оз бора и углерода-, приведены работы, касающиеся разлого стехиокет-рического содеркания карбида бора В^^ и В^С, их свойств и возможностей существования, в такке - работы о наличии максимального предела содеркания атомов углерода в карбиде бора.

Во втором параграфе характеризуются пострадиационные лзфакты карбида бора. Радиационное нарушение реакторных материалов состоит из "динаиического" и "статического" эффектов, которые

включают л себя дефекты смещения атоиов решетки и возникновение з решетке трансыутантаых атомов гелия, лития и трития, а также их распределение и связанные с вши процессы.

В этом параграфе приведены ядерные реакции нейтрояовс разными энергиями о изотопами а 118 н их сечения, пороговые энергии, возникновение пострадиационной дефектной структуры из-за влияния гелиевых примесных атомов, количественные данные о концентрациях атомов Не и 1л , а таете влияние атоиов на структуру карбида бора. Кроме того, рассмотрена эволвция дефектной структуры в условиях высокотемпературного отхига, а также объемные диаграммы зависимости газовыделения от выгорания 10В и температуры. В параграфе рассмотрены работы, касаюци-еся изменения гексогональных параметров кристаллическое решетки при высоких температурах в условиях облучения.

В третьей параграфе рассмотрено поведение "горячих" примесных атомов трития в карбиде бора. Здесь представлены работы о выделения трития из решетки а условиях облучения в атмосфере водорода и/или водяного пара, о возможных механизмах выделения и удержания трития в кристаллической решетке, а танзд работы, касающиеся зависимости эффективного коэффициента диффузии трития от дозы облучения. В1 конце параграфа приводятся те вопросы взаимодействия реакторных материалов с тритием, которые требует дальнейших исследований.

В четверток параграфе приведена общая характеристика графита, его структура, радиационные дефекты в виде комплексов смещенных атомов углерода ж накопление и удержание тритиевых примесных атоиов в графите, а также возможность диффузии трития вдоль.слоев или через слоевую плоскость в графите.

В пятом параграфе рассмотрена общая характеристика ситал-лов, его структура, вопросы взаимодействия содержащихся фаз, а также сферы применения этого материала.

Вторая глава содержит четыре параграфа, в которых приведена экспериментальная методика.

В первом параграфе представлены исследуемые материалы:

порошковые и горячепрессовашше сбразцц карбида бора Вц&п,

гранита марки ¡ЗПГ-8, углесипзлла УСБ-15, которые содержат 1555

с

естественного бора и УСЕ-15 ("В"')« содерлавдй в качестве примеси изотоп

Во втором параграфе приведен .мятод горячего прессования чистых поропков карбида бора в температурном интервале 1Ь00°-.2200сС.

В третьем параграфе описаны процесса подготовки и облуче-

гр го о

нкя образцов нейтронами флюенсом 10 , 10 н/СИ'.

В четвертом параграфе приведены экспериментальные методы измерения: метод изохронно-изотермического откига в температурной интервале 1С0°-ПС0°С в течение 5 часов',-метод сяигания, радаохроаатографический анализ.

Третья глава содержит пять параграфов, в когорах описаны экспериментальные результаты, приведены 8 таблиц и 39 графиков.

В первой параграфе приведены экспериментальные результаты по кинетике.выделения тритиевоИ активности из нейтроино-облу-ченного карбида бора, где разделены да а варианта облучения образцов'. "

- облучение в вакууме, когда высокоэнергетич.чне атокы трития образуются в объеме образца вследствие ядерных реакций нейтронов с изотопом *°В/ЕТ = 2,73 изв/ и которые распределены

разномерно по всему объему. Ядерные реакция адудае на ^В.мох-но представать в виде схемы: __, -г

-Облучение в атмосфере Не, когда кроме внутреннего трихин, происходит имплантация извне "горячих" атомов трития (по реакции 3Не (п, р) Т, ЕТОр =» 0,77 мэв, £т = 192 кзв) в поверхностный слой образца. В эхом случае» распределение три тая имеет ли::зйный коаценграццонгшйпрофиль по сечению образца.

В данном параграфе введены следующие обозначения: ( ^ ) -относительная скорость выделения тритиеаой активности, ( р ) -суммарная относительная активность, в представлены зависимости •jj- и р от длительности ("fc ) к температуры < Т") изотермического отхгга.

Установлено, что для всех образцов карбида бора зависимость относительной скорости выделения тритиевой активности ох длительности oxszra вмеех немонотонный характер: относительная скорость достигав! максшуиа за первые, 30 мин, а затеи резво снижается. Процесс выделения тритиевой активности при данной температуре заканчивается в течеяке 5 часов отжата.

Немонотонный характер яиевх в кривые зависимости относи» тельной скорости я суммарной относительной активности от температуры. На кривых ваблвдзхчся две области резкого возрастания выделения трития: а условиях облучения образцов в вакууме эти области располагаются opt 500° в SCQ°C, а в случае облучения в атмосфере %е - ери температурах 300° в 700°С, х.е. мак-сиауиы саевдны к более яяэхш температурам яз~2Ш°С.

Отдельно была проведева серая эвспершкшхов, когда изо-

термический отжиг прородился каждого аз десяти идентично обработанных я облученных образцов только при одной температура оягига. До температуры 500°С кривые завис кности ^ » ^ ( Ь ) и р = ^ ( 'Ь ) сходятся с такими же кривыми для предыдущей серии экспериментов, яофи у 500°С характер этих зависимостей меняется, в частности, выделение тритиевой активности начинается с первого хе иоыента измерения, чеау следует резкое сиихонне относительной скорости выделения тритиевой активности. 3 этом

параграфе такте приведены формулы по расчету концентрации трития, эффективного коэффициента диффузии и энергии вит и вага; п. В условиях выполняемое»! I закояа Фика

где г - ветх сушарнзя относительная активное», г - радиус зерна, ^ - длительность изотермического отжига, ~ эффектные коэффициент диффузии, с помодьи кривых зависааос те й » ( Ъ ), графическим путей была вьтксмки. гЛЛоктиэние созффициенгы дайузип трития, которые меняются' ¿--лределаг: . :0"13 - Ю"8 си2/сек для образца [в^О 1 пресо> ( гЮ~10- Ю"8

:ц2/сёк для [вас! 530 г ИГ15- Ю'^см^/сек для Гвйс]зак

1- 1 * яресо . I 7 ^рр.;.

Согласно формуле: Д = Дое - —

кт

з кривой зависимости Д^ =>|/( ), графический путей, бы-

и рассчитаны энергия активации процесса выделения тритиевой

ктивности, которые составили:

70 кдк/цоль К для образца Гво с] ВЕШ*

1- ' J пор.

103 кджАоль - 300°~600°С для оСразцаГв^С"] вах 468 кдз/^оль - 700°-9С0°С ^ пРесс-

34 кдж/иолв - 100°-300° для образца |'в*С ] ЗНе 168 кда/иоль - ад0°-700°С ^ л пресс.

Во втором параграфе приведены данные по удержанию трития в облученном нейтронами карбиде бора. Установлено, что большая часть имплантированного трития выделяется за первые 30 мин. при данной температуре изотермического отжига, а после I часа происходит выделение только 1-2% из всего образованного трцтия. После завершения полного цикла отжига £ образцах удерживается меньше чем 10% из всего генерированного трития.

В этой параграфе оценены соотноиения между активностями имплантированного извне и генерированного в объеме трития. Оказалось, что при имплантации трития извне, в образцах удерживается тритий в 100 раз больше, чек в образцах, облученнкх в вакууме. Следовательно, количество имплантированного трития должно в 100 раз превышать количество генерированного в объеме трития. Предположение подтверждается согласно соответствующим количественным расчетам. Для образца Гв у С1 значение

пресс

внутреннего трития составила а активность имплантиро-

ванного трития составила 105Бк.

В третьем параграфе представлены результаты радиохромато-граеического анализа облученного неЯтронади карбида бора. Эксперименты проводились о целью выяснения происходит ли химическая эрозия поверхностного слоя карбида бора, облученного в атиосфере5Не, а также - причины наличия двух температурных областей выделения тритиевой активности на кривых зависимостей • ^ = ^ (Т°) и р (Т°). Анализ гритийсодерначего радиоактивного газа, десорбированного с образцов, показал, что тритий

выделяется в виде соединений: радиоводорода - НТ и углеводородного соединения, радиометана - СН3Т, здесь не приведена таблица процентного содержания тритий^одержащихся продуктов, выделившихся при тврмоотхиге.

Эксперименты показали, что наличие двух температурных о<£-ластей интенсивного выделения тритиевой активности обусловлено разделением по температурной шкале двух процессов выделения тратийсодеркащихся газов: область выделения радиоиетаяа располагается в интервале температур 2С0°-500°С, а регистрация радиоводорода начинается при >500°С и достигает максимума при 900°С. Интервал 500°-700°С является переходной.областью, где происходит снижение скорости выделения радиометана и возрастание скорости выделения радиоводорода.

В четвертой параграфе приведены данные по канатике выделения тритиевой активности из облученных нейтронами углеграфито-вых материалов. Экспериментальные результаты разделены по двум вариантам условий облучения:

- Облучение а вакууме , где тритий генерируете*.« объеме образца в результате ядерных реакций нейтронов с'изотопов ^В (в случае углеситаллов) и с (в случае графита марки МПГ-8 по реакции с1д( и,* ) Т , Ет = 2,73 ИЭВ).

, - Облучение в атмосфере где в результате реакции 3Не (и, р) Т происходит имплантация извне "горячих* атоиов трития в приповерхностный слой углегрзфитовше образцов.

Затем отдельно рассмотрены зависимости для образцов, облученных в разных условиях: [ипг-в] Н->, [УСБ-15]вак, [УСБ-15]3Н9, [УСБ-15 ♦ %+]вак, [УСБ 15 + ^Не ^,Не (в последних двух образцах проводили предваритёяьнуо ''

имплантацию кояаии » 20 доза облучения

1018си~2 ), [усб-15 (пВ)]вак, [уСБ-15 (ив)] %е.

Для всех исследуемых образцов, облученных в агиосфере %е зависимость относи цельной скорости выделения тригиэвой активности от длвгелыюс2Е отхига »шеег немонотонный характер. Выделение радиоактивного газа начинается при комнатной температуре, затеи скорость снижав гея, а после 30-45 акнут снова . достигает макскмуна пра каждой температуре отжига, чему следует резкое ся&шш скорости. Хроме того, выделение трития из всех сортов углегрефвуси продолжается и после 5-ти часового отаига.

' Немонотонностью характеризуется и кривая зависимость сjm-ыараой огноомувяьной гкхивностс трягия от температуры. Здесь наблюдаются отдешш области, резкого выделения трктиевой ак-яэяооги с махсаиум&за: ЗСО° в 900°С для образца (УПГ-8 ^ Не, П00\дая (УСБ-15] век, 300° я 700°С для f УС5 - 15 J 3 Не, 600° и ХООО0 для [УСБ-15 + } вак, 500^0 для [УСБ-15 ♦ + ^Не J *Не, 500° к 1000°С дли [УСБ-15 £ПВ)] вак; 300°, 500° К 800°С Дйк jVc£-I5 (I13)J 5 Не.

В этоа параграфе представлены 3 таблицы, в которых приведены аффективные коэффициенты диффузии в общие суммарные активности, а также кривив температурной зависимости общих сушарзьж оккпшоетай для вою углеграфвтовю: образцов.

В ппгом параграфе арзщ едены результаты радиохроиатографа-ческого анализа. Оказалось» что радиоактивный газ, дасорбируе-s-'ul! из угдеграфитовых образцов, облученных в разяще условиях состсгг Ks да ух конин»? стоь: радисводорсда KT и о'ольаого koki-чэсгва радкоыегаяа Сй3Г. Здесь та приведена таблица суммарных

активностей газа, лесорбироваяяого с I гр материала при полной цикл? отжига з температурном интертале IC0°-II00°C, з тагасв суиааряые активяостн - для отдельных продуктов я величины, описывавшие относительное содержание ааждого продукта в десор-бирозаянои газе.

3 даазоя параграфе рассмотрена степень удеркания трития з углегрзфитовкх образцах. После полного цикла отжига удержание составляет ** 80%.

Четвертая глава состоит из трех частей, в которых проведена . «млид ' полученных экспериментальных результатов.

Название первой части - тритий в карбиде бора. Взаимодействии карбида бора происходит как с внутренним, так и с внеа-нкя источником трятня. Еосиотря aa то, что величина внутреннего три тая намного превышает величину имплантированного извне-трития, внесший источник, т*е. "горячие" атомы трития сильно возйвйствузт с поверхность» карбида бора.

По литературным даннш, в определенных температурных областях откига в яарбидз бора происходят сильные микроструктурам изменения. 3 теыпвраг'рном интервале 400°-600°С происходит, с одной стороны, возрастание подвижности трансаутантшх газовых гкашений, что обусловливает интенсивное ввделеяив fípmeo-аых raaos из кристаллической решетки и с другой стороны, в виде параллэяьмго процесса - образование з реаетке Сош круагшс газовых акяеченкй. При высоких температурах, идущие э рваетке процессы - возрастание сил упругой деформации вокруг лор, воз-никнззение концентрационных градиентов по сечению образца и др. - достигает критического предела и вследствие происходит растрескивание пор, возникновение мияротрецин ядоль границ зе-

рен, чему следует интенсивное выделение радиоактивного газа. Описанные в литературе температурные области ыикроструктурных изменений сходятся с наблюдаемыми нами областям!: 500° и 903°С для образца [в ^ с]Цк и 300° и 700°С для у С^Не. На идущих при высоких температурах сильных микроструктур;:иг изменениях указывав? кривые зависимости квадрата суммарной относительной активности от длительности отглга: на этих кривых происходит отклонение от линейной зависимости при высоки температурах, что указывает на изменение механизма выделения газа. Об этом ке свидетельствует возрастание эффективных коэффициентов диффузии на 2-3 порядка.

С карбида бора десорбируются гритийсодеряацпе продукты: радиоводород НТ - являясь результатом расцеплекгл Оор-Ю и радиометая, являясь возможным продуктом химической эрозии поверхностного слоя образца. Регистрация радиоыетааа начинается при низких температурах (200°С), а в условиях облучения при 70°С в течение I часа невозможно образование радаометана. Зто указывает на химическую эрозию поверхностного слоя карбида бора. Выделение радионетана, хотя в малых количествах, наблюдается и при высоких температурах (600-9СС°С). Считаем, что он является продуктом вторичной реакции десорбирозаняого радиоводорода с поверхностью образца.

Удерваяие трития в карбиде бора (15,%) объясняется образованием "горячими" атомами трития С-Т связей в объеме образца, что хорошо согласуется с литературными данными по механизмам выделения тритиевой активности из облученного карбида бора.

Сравнение двух вариантов эксперимента показало, что изменение характера кияегяки выделения радиоводорода определяет

кинетику выделения трятиеаой активности.

Вторая часть называется - тритий в угдеграфитовых материалах. Образование трития в графите марки ¡ШГ-8 происходит имплантацией извне к в результате ядерных реакций нейтронов со структурной лрикесг» 'Ц. Известно, что в графите высокой чистоты, содержание а нем лития можно снизить до 5.10"^, следовательно в чистой графа» в результате воздействия внутреннего и внесшего источников трития накапливается большое количестве трития.

Максимумы на кривых температурных зависимостей суммарной относительной активности трития обусловлены обратным выделением имплантированного в образцы трития при температурах, когда возможна диффузия, трития в поверхности. В температурном интервале 30Q0-4000C выделяется имплантированный извне тритий отдачи, а при 700°-1100°С - тритоны из объема. Надо отметить, что в этих областях эффективные коэффициенты диффузии достигав! максимальных значений, «»10"^ и си2/сек, соответствен-

но.

Выделение имплантированного трития при 300°-400°С можно объяснить следующим образом; при низких температурах внутренний тритий в процессе диффузии не может достигнуть поверхвоо-т№, так как эффективный коэффициент имеет порядок: с«2/сак. Тот факт, что выделение радиоактивного rasa начинается при кокнатной температуре, указывает на физический характер адсорбции продуктов на поверхности, а таю» на десорбцию имплантированного извне трития из приповерхностных сдоев, чеку следует истощение резервуара трития (500°-700°С на крира зависимости F (Т0^, при высоких температурах происходит пов» торное выделение радиоактивного газа из объема.

С цедыо подтверкдекия предположения, что радвациокио-ге-нерируемне дефекты юркоаят выделение трития, была оценена концентрация точечных дефектов радиационного происхождения (,ЛО*9см5) и истинная активность трития, которая составила

(в условиях флюевса Ю16 в/см2). Согласно результатах расчета, выбитые из ггксогональной сетки атоиы углерода располагается в базисной плоскости и при низких температурах тормозят миграцию трития к внешней поверхности. Об этой свидетельствует резкое возрастание процесса выделение тритиевой активности при >600°С, т.е. тогда когда начинается отзшг ме:гслоевых углеродных атомов и кх скоплений и, как следствие, начинается выделение тритиевой активности из внутренних пор графита.

Радиохроматографичаский анализ показал, что выделенные из всех углеграфитовых матершлов (Ш1Г-8 и УСБ-15) тритийсодерга-продукты состоят из радиоводорода НТ, ради метана СЯ^Г, а таете''более высоких углеводородов. Тот факт, что выделение большого количества радкометаяа и более высоких углеврдородов наблюдается при кошатвой температуре и продолжается в течение всего цикла отжига, свидетельствует о химической эрозии поверхности углеграфитовкх образцов.

Здесь тавде рассмотрены возможные механизш образования радиоаетена на основе обсуждения литературных данных и полученных нами результатов.

Надо отметить, что все исследуемые углеграфитовые материала характеризуются высокой степенью удержания триткевой актив-ностя ( ы В5%). Предполагаем, что это связано с образоваякеа з реаетке таких соединений трития, которые становятся структурными принесши и {излагаются только при полном сжигании образца.

Кривые зависимости относительной скорости выделения трития от длительности отгига для графита (ШГ-8) и угле графитов (УСБ-15) сходны друг с другом. Наличие максимума в начале отжига свидетельствует о десорбция физически адсорбированных три-тийсодервдих продуктов,, а наличие второго максимума связано с перекрывавшимися процессами выделения имплантированного извне и генерированного в объеме трития.

Затем рассматривания зависимости выделения тритиевой активности от длительности и температуры изотермического отяига для образцов [УСБ-15] вак; ^УСБ-15^3Не, [УСБ-15 + ^Не 3 вак, |УСБ-15 "1 3 Не, ^УСБ-15 (ПВ)] вак, [УСБ-15 (ПВ)] %е.

Зыдеяение радиоиетаяа из образцов, облученных в атмосфере 3Яе, свидетельствует о химической эрозии поверхности образцов. Яо регистрация радяоаетаяа происходит и для рбразцов, облучен^ анх в вакууме. Как указывалось выше, в утлвграфитех удержание трития имеет высокое значение. Предполагаем, что в объеме тритий образует С-Т связи, дальнейшая судьба которых зависит от наличия источника трития, который монет заполнить С-Т связь до метана, .

Самое большое количество радиометана наблюдалось в образце в которой представлено одновременное влияние высокоэнергетичных ионов ^Не* и "горячих атомов" трития ее поверхность. Предварительная имплантация ионами ^е* снижает выделение трития, что свидетельствует об образовании дефектов, т.е. дополнительных ловушек трития в приповерхностной слое ма* териала.

Для образца ^УСБ-15 (^В)] 3Не наблюдается выделение только одного трятийсодержащего продукта - радиоводорода, но - наличие трех максимумов интенсивного выделения* трития при 300°,

500°, 800°С. Это воамоаяо связано с существованием разного тепа ловушек дня водородных источников.

Оказалось, что структурные различия между углеграфнтовыми материалами проявляется на начальном этапе отяига, о чем свидетельствует следующий фаЕт: если для £шг-8]%е при 200°-300°С начинается несуаественное выделение тритиЕсодвряадих газов, то для |?СБ-15 + ^при низких температурах наблюдается интенсивное газозыдэлевее, а для образца вак существенное выявление трития начинается только при 700°-800°С.

Б третьей части проведено сравнение экспериментальных результатов для облученных в идентичных условиях образцов карбида бора и углеграфйгеаыг материалов.

Высокая степень дергания трития («"8555) является серьезным недостатком при использовании графита в ТЯ и ядерных установках. Этот недостаток не имеется у карбида бора, так как удер-яаняе в нем тритиевой активности составляет только -10$. Об атом также свидетельствует тот факт, что для углзграфетовых образцов выделение тритиевой активности не завершается в течение 5 часов при данной температуре отаига, тогда как для карбида бора процесс выдекеяия трития завершается в течение 5 часов.

Бели в графите дефекш смешения блокируют миграция трития, в карбиде бора они практически ве влияют на процесс диффузии тохтия к поверхности. Хотя в карбиде борд образуются более4- слое- , ныв носградпационнче дефекты, явдавдиеся ловушками для трития, выделение его на образков происходит быстрое я при более низких температурах, чем веделеяие трития из дефектов смещения в угле-Различия мехду карбкдш бора и углеграфитовьыи мате-

-а -

риалами хорозо видно по кривой зависимости относительной ско-ростя выделения тратгавой активности от длительном« отжига для углеграфитовых образцов. На этих кривых наблюдаются два максимума, где первый максимум отражает выделение физически адсорбированных продуктов. Наличие этого максимума ае наблюдается на кривой зависимости^« ^(.Ь) для карбида бора. Три-тийсодергэдие продукты, выделенные из углеграфктовкс образцов, содержат радиометан а более высокие углеводородные соединения, регистрация которых начинается яри комнаткой температуре п продолжается в течение всего цикла отжига (100°-П000С). Выделение радиометана из карбида бора начинается лр! > 300°С, а высокие углеводороды не наблюдаются. Количество радиометана, выделенного из углеграфиговых образцов существенно превыаает количество СН3Т для карбида бора, о чем свидетельствуют данные соотношения- между актива остям л радиоводорода и радиоиета-па.НТ/СНзТ, которые составляют: 10,2 для образца £ш1Г-8 ]5Не; 4,0 для [УСБ-15]3 Не; 2,6 для {УСБ-15 + ^Яе*}5^; 15,6 для [в Ц С3Не. Надо заметить, что для всех исследуемых образцов, облученных в атмосфере ■'Не, выделенная тратяевая активность имеет порядок "'Ю Бк, а а случае облучения в вакууме, трити-евая активность на один порядок превшее? активнооти для угле-графктсв. Из визе сказанного можно заключить, что а образцах карбида бора я углеграфитов, облученных а идентичных условиях в атмосфере 3Не с выделившимися активностями, имеющими один и тот ке порядок ("Ю5Бк), химическая эрозия поверхности угле-графитов выше чей карбида бора,

В конце рассмотрено: к каким следствиям могут привести высокая степень удержания трития в химической арозий'У угле-

графитовых материалах и следовательно какие ярекиуцества тае-е-г карбад бора по сравнению с графитами при применении его в ТЯ и ядерных реакторах.

ВЫЗОЛЫ

1. Обнаружены области резкого возрастания скорости введения тратиевоЯ активности, которые совпадай? с тем: областями «икроотруктурных изменений в облученных нейтроязгш образцах карбида бора, ярлведешщх в литературе.

2. Установлено, что в зеаператураоа антервале огхига 1СО°-1100°С, тритий как имплантированный, так и образованный вследствие ядерной реакции на изотопах в облученном нейтронами карбиде бора, выдаллется двуая фронтагха.

3. Определена природа ишлаатироваакого трития с атсиааи .решетки карбида бора и зависимость их вькода от температура.

■. Определена природа продуктов взаимодействия трития с атомами графита и разных углеграфитовых материалов, а такке зависимость их выхода от тевдературы.

5. Установлено, что для существенного выделения тритиевой активности из сравнительно нового ядерного матерела - углеса-таяла УСБ-15, необходим отжиг вьше 1Ю0°С.

6. Предварительная имплантация ионов подавляет выделение трития из облученных нейтронами углесиг&плов.

7. Обнаружено, что для всех образцов, облученных в ап:ос-фере Не накопиука выделения тритвевой активности саещешл« -<

к более нпзквы геипературам ка~200°С . по сравнению с образцами, обдучекш-ш в вакууие. ' .

8. Установлено, что содержание грвтиевой активности в объеме до температур изотермического отжига Л00°С гораздо внке в графите и угдеситаялах, чем в,"карбиде бора.

9. Установлено, что в разрушении материала продукты химической эрозии играют более существенную рель для углегранитовых материалов, чем для карбида бора.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих статьях.

1. В. А.Бар нов, И.И.КоиЕ-а, Д.Г.Курдиани, Л.Ш.Иадярашвиди. Тритий в карбиде бора", Сообщения АЯ Грузии, т. 147, $ 3, 1992, стр.

2. "Л.Й.Коиаза, Л.Ш.Надираавили., "Исследование выделения тритизаой активности из облученных углеграфитовых материалов", Труда - Грузинский Технический Университет, » 9(391), 1992» стр. 17-28.

3. В.А.Барзов, Я.Й.Хоиава, Л.Ш.Яадираивюш и др."Исследование кинетики выделения тратиевой активности из углеграфято-зых материалов", Всесоюзная конференция - Радиационное воздействие на материала термоядерных реакторов - тезисы докладов, часть И, Ленинград, 1990, стр. 182.

4.'В.А.Барков, Л.0.Надира®или, а.й.Коиава и . др.."Йове-дэяиз радиоактивного газа-тратия в облученном нейтронами карбиде бора", Пятое Всесоюзное совещание - Радиационные гетерогенные процессы. Тезисы докладов, часть I, г.Кемерова, 28-31 мая, 1990, стр. 107-108. .

5. Т.З.Цецхладзе, В.А.Барнов, Л.И.Надираааили, Ц.й.Яоиа-за и др. "Образование и выделение тритиевой активности из кар-

бадз бора" (на английском языхе). Восьмой международные симпозиум по адераой химик, родвохикаи в радиационной химии. Тезисы докладов, часть П, г.Толука, Мексика, 9-13 июля, 1990, стр.217.

6. В.А.Еарнов, М.И.Коаава, Л.Ы.Надараишила, Л.В.Чахдадзе, Л.В.Черкезвшвала. * Исследование выделения трития из углегрэфатовых .•.гатерааяав",

Принята к опубликована» редакцией журнала "Сообщения" Ш Грузия". •>

^оА^о ьс