Экспериментальные исследования прикладных проблем радиационной физики взаимодействия осколков деления с реакторными материалами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЯДЕРНЫЙ ЦЕНТР РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ИНСТИТУТ АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ АЛМАТННСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

о л

На правах рукоппсп

СЕЦ 1Соп 539.12:669.017.3

Жотабасв Жсппс Рахмстович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИКЛАДНЫХ ПРОБЛЕМ РАДИАЦИОННОЙ ФИЗИКИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОСКОЛКОВ ДЕЛЕНИЯ С РЕАКТОРНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ

Специальность: 01.04.01 - техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследовании

Автореферат диссертации на соискание учено» степени доктора физико-математических наук

Республика Казахстан г. Алматы 1998 г.

Работа выполнена в Алматинском отделении Института атомной

энергии Национального ядерного центра Республики Казахстан (А.о. ИАЭ НЯЦ РК)

Научный консультант:

Доктор физико-математических наук, профессор, Даукеев Диас Кенжебекович

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, профессор, Конобеев Юрий Васильевич

Доктор технических наук, профессор, Варварица Владислав Петрович

Доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент HAH PK, Жетбаев Абил Куангалиевич

Ведущая организация: Российский научный центр «Курчатовский

Защита состоится 8 октября 1998 г. в 14 час.30 мин. на заседании диссертационного совета Д60.01.01 при Национальном ядерном центре Республики Казахстан по адресу: 480082 Алматы, Институт ядерной физики НЯЦ РК, ул. Ибрагимова 1, Конференц-зал физического корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института ядерной физики НЯЦ РК

институт»

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физ.-мат. наук

Косяк Ю.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Облучение твердых тел высокоэнергетичными заряженными частицами, как известно, приводит к изменению их физико-механических свойств, влияет на протекающие в них процессы, вызывает фазово-структурные превращения и т.д. Особое место при этом занимает воздействие на вещества осколков деления ядер. Осколки деления (ОД) - это тяжелые многозарядные ионы, обладающие массой (72+161) а.е.м., эффективным зарядом порядка +(20-^22) и большой кинетической энергией (0,5-г!) МэВ/нуклон. Для них характерны аномально высокие

о

[до 104 эв¡А) удельные потери энергии на упругие и неупругие столкновения с атомами в твердых телах. Торможение осколков и передача их кинетической энергии атомам вещества вызывает ряд макроскопических явлений: ионизацию и возбуждение атомов; усиление теплового движения; образование различного рода дефектов в кристаллической структуре. Эти явления в той или иной степени связаны друг с другом - возможны их взаимопереходы во время движения осколка или после его остановки (время торможения осколков в твердых телах составляет порядка Ю-'2 с). Передача энергии осуществляется в результате взаимодействия осколка с электронами и ядрами атомов вещества. Вследствие огромной энергии и большого заряда ОД создают треки, которые легко наблюдаются в электронном микроскопе, благодаря высокой плотности создаваемых дефектов вдоль пробега ОД.

При разработке прикладных аспектов радиационной физики часто бывает необходим учет взаимодействия осколков деления с веществом. Исследования объемных радиационных эффектов от ОД в делящихся и конструкционных материалах актуальны и в настоящее время. В атомной энергетике интерес к вопросам взаимодействия ОД с веществом и их последствиям, в первую очередь, связан с поведением тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) при длительной их эксплуатации, когда решение проблемы радиационного распухания оболочек топлива, утечки продуктов деления (ПД) через материал оболочки, коррозионных процессов, происходящих во внутренних сторонах стенки ТВЭЛов и др. играет важную роль для обеспечения безопасности реакторных установок. Оценка времени выхода ПД через материал оболочки топлива особенно актуальна для микротепловыделяющих элементов высокотемпературных газовых реакторов при выборе материалов многослойных защитных покрытии.

Существуют проекты ядерных установок (ЯУ), в которых предполагается использовать ядерное топливо без оболочки. Такая

схема ЯУ позволяет непосредственно, минуя стадию преобразована кинетической энергии ОД в тепло, использовать эту энергию дл осуществления необходимых химических реакций, накопления заряд; в высоковольтных ядерных преобразователях (ВЯП), для ядерно; накачки рабочей среды лазеров и т.п. Так, в хемоядерных реакторах где предполагается осуществлять энергоемкие радиационно химические процессы с использованием ОД, топливные элемент* (хемоядерные элементы), помимо поддержания цепной реакции должны выполнять также и специальную функцию по инжекции ОД ] рабочую среду. Для таких установок очевидной, нуждающейся 1 решении проблемой, является распыление топлива и защитноп покрытия, загрязнение продуктов синтеза и окружающей средь радиоактивными ПД. При этом проблема распыления материал; осколками деления предстает в ином свете и нуждается ] дополнительных исследованиях, в частности, в изучении кинетию распыления при длительном облучении и поиске материалов дл: защитных покрытий.

В процессе бомбардировки вещества осколками деления с ег< поверхности эмиттируются вторичные частицы, выход которых связа! с энергетическими потерями налетающей частицы в результат упругого или неупругого взаимодействия с атомами вещества. Н; основании имеющихся экспериментальных результатов можн< утверждать, что выходы вторичных частиц в высокоэнергетично! области энергии ( Мэв-ных энергий) связаны с электронны* торможением. Вопрос о том, что какая доля энергии первичных ионо! и каким образом передается из электронной подсистемы в решетку I вызывает процесс эмиссии вторичных частиц, до сих пор остаетс: нерешенным. В этой связи перспективным является разработк; методики изучения выхода вторичных частиц в зависимости о-энергии первичных ионов, угла падения, состояния поверхносл бомбардируемой мишени и др. и создание для этих исследованш времяпролетного десорбционного спектрометра с возбуждение1> вторичных частиц осколками деления. Такой спектрометр имеет такж чисто практическое применение в биологии, хнмш высокомолекулярных органических соединений, при исследованш неизвестных токсических веществ, при анализе и идентификацш больших молекулярных масс для определения структуры и построени: формулы синтезированных веществ. Достоинствами такоп спектрометра при использовании его в решении указанны: прикладных задач являются теоретически неограниченный верхнш диапазон регистрируемых масс, что особенно важно при регистрацш кластерных ионов, высокая светосила и информативность возможность раздельной регистрации положительных I отрицательных вторичных ионов.

Таким образом, несмотря на достигнутый высокий уровень знаний природы взаимодействия ОД с веществом и успешное использование полученных знаний в различных областях науки и техники, необходимость дальнейшего совершенствования ядерной техники выдвинула целый ряд новых прикладных задач, требующих экспериментального изучения процессов имплантации и диффузии ПД в различных материалах, кинетики распыления материалов, прохождение ОД через поверхность твердых тел и их последствии, а также механизма взаимодействия ОД с веществом. Разрешение этих практически важных вопросов имеет большое научное значение, т.к. может дать дополнительные сведения о физике радиационных процессов, протекающих при прохождении ОД в твердых телах. В то же время ясно, что решения перечисленных научных задач невозможно без создания мощной исследовательской базы, включающей новые методы и научное оборудование.

Из вышеизложенного следует, что настоящая работа, направленная на разработку методов исследования и новых методических подходов в изучении особенностей взаимодействия осколков деления с материалами, развитие экспериментальной базы и использование полученных экспериментальных результатов для решения указанных прикладных проблем, является своевременной и актуальной.

Цель настоящей диссертационной работы - разработка и создание специальной методической и аппаратурной базы для комплексного исследования воздействия осколков деления на реакторные материалы и связанные с ними процессы диффузии и массопереноса, влияющих на утечку продуктов деления из материалов оболочек тепловыделяющих элементов, распыления материалов, выявления механизмов взаимодействия осколков деления с веществом; изучение особенностей радиационных повреждений под действием осколков деления, зависимостей диффузионных характеристик продуктов деления от дозы облучения осколками, кинетики распыления материалов в условиях облучения осколками деления и использование полученных результатов в решении прикладных проблем.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые получены следующие научные результаты:

а) Разработан новый методический подход к послойному анализу профилей ПД, имплантированных в различные реакторные материалы, заключающийся в том, что на одном образце в одних и тех же экспериментальных условиях одновременно и независимо определяются коэффициенты диффузии многих продуктов деления. В рамках этого подхода:

1) установлено, что с увеличением дозы облучения материалов осколками деления происходит изменение профиля концентраций внедренных продуктов деления;

2) проведено изучение пространственного распределения радиационных повреждений, показавшее, что в случае облучения осколками деления имеют место запробежные эффекты, когда дефектная структура наблюдается далеко за пределами мест их остановки.

3) определены параметры диффузии (Озфф, Яэфф) продуктов деления в Мо, IV, РуС, 5/С и их зависимости от дозы облучения осколками деления; электронномикроскопически исследована и смоделирована расчетным путем эволюция порообразования в зоне внедрения, ОД; проведенный анализ полученных данных показал, что уменьшение параметров диффузии ПД в Мо с дозой облучения осколками обусловлено захватом диффундирующих

. атомов ПД радиационными дефектами.

б) Однозначно установлено, что повреждения от осколков деления имеют преимущественно кластерную структуру вакансионного типа. Этот вывод основан на результатах исследования термодесорбции гелия из молибдена, облученного осколками деления, на разработанном и созданном автором высокочувствительном термодесорбционном спектрометре.

в) Разработана методика расчета количества накопленных продуктов деления вне оболочки тепловыделяющего элемента за счет их диффузионного выхода через оболочку в процессе генерации осколков деления.

г) Разработан метод исследования кинетики распыления материалов от осколков деления в активной зоне реактора ВВР-К, суть которого заключается в том, что при одинаковых условиях. внутриреакторного эксперимента одновременно изучается распыление разных по своим электрофизическим свойствам материалов: закись урана - диэлектрик и пленка из золота - проводник от флюенса осколков деления. Установлено принципиальное различие механизмов распыления и Юн и Ли. В случае ОзОв имеет место неупругий механизм распыления. Немонотонная зависимость коэффициента распыления пленки Аи от дозы облучения осколками деления свидетельствует, что механизм распыления пленки изменяется в зависимости от ее структурного состояния.

д) Разработана методика исследования выходных характеристик вторичных частиц (электронов, ионов, атомов), эмиттируемых из твердого тела при бомбардировке его поверхности осколками деления для получения информации о механизмах взаимодействия ОД с веществом на основе созданного времяпролетного десорбционного спектрометра с возбуждением вторичных частиц осколками деления.

Практическая ценность результатов диссертационной работы:

а) Разработанные методики для исследования процессов диффузии, газовыделения и распыления в различных материалах, подверженных облучению осколками деления, и полученные с их помощью результаты используются на экспериментальной базе реакторного комплекса ВВР-К, а также внедрены в Физико-энергетическом институте (г. Обнинск), Подольском научно-исследовательском технологическом институте (г. Подольск), НПО «Энергия» (г. Москва), Институте теоретической и экспериментальной физики (г. Москва).

б) Разработанный термодесорбционный спектрометр высокой чувствительности (10ч атомов по гелию) используется для исследований энергетических состояний дефектов и их идентификации в поверхностных слоях материалов, а также и для исследования процессов спекания ядерного топлива АЭС, который выпускается Ульбинским машиностроительным заводом (Восточно- Казахстанская обл.).

в) На основе экспериментального изучения распределения продуктов деления в оболочке отработанного ядерного топлива (ОЯТ) реактора ВВР-К проведена оценка их диффузионного выхода из алюминиевой оболочки ТВЭЛа. Сделан практически важный для радиационной безопасности вывод о том, что при сухом способе хранения ОЯТ в условиях, обеспечивающих поддержание температуры стенки отработавшей тепловыделяющей сборки не выше 70"С, вкладом диффузионного выхода ПД можно пренебречь.

г) Подавление распыления урана путем покрытия его тонким слоем золота и установленная для этого покрытия предельная доза облучения осколками (1012 оск/см2), до которой данное покрытие сдерживает распыление урана, используется в экспериментах, когда к рабочей среде предъявляются повышенные требования относительно ее загрязнения делящимся веществом.

д) Созданный времяпролетный десорбционный спектрометр с возбуждением и ионизацией вторичных частиц осколками деления используется в Институте атомной энергии НЯЦ РК в научных исследованиях по изучению закономерностей эмиссии вторичных частиц и в практических целях в химии, биологии, медицине для масс-спектрометрического анализа высокомолекулярных термически нестабильных соединений. Применение спектрометра в указанных областях позволяет: 1) использовать относительно дешевый источник тяжелых ионов, 2) улучшить экепрессность масс-спектромстрических измерений, 3) увеличить диапазон анализируемых масс, 4) существенно уменьшить трудоемкость процесса установления структуры сложных веществ за счет исключения ряда промежуточных стадий химического анализа.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту: .

а) Разработанный и созданный комплекс методик и установок для комплексного экспериментального исследования процессов диффузии, распыления, термодесорбции в материалах и проведения реакторных экспериментов с осколками деления, включающий :

]) новый методический подход к послойному анализу пространственного распределения продуктов деления в различных материалах,

2) методики приготовления источников осколков деления и образцов,

3) методику прецизионного определения параметров диффузии продуктов деления в реакторных материалах,

4) методику расчета количества накопленных продуктов деления вне оболочки тепловыделяющего элемента за счет их диффузионного выхода в процессе генерации осколков деления,

5) методику и экспериментальные сборки для исследования кинетики распыления материалов осколками деления в активной зоне реактора ВВР-К,

6) устройства для высоковакуумного и высокотемпературного отжига образцов,

7) устройства для термо-механической и электрохимической обработки радиоактивных образцов,

8) высокочувствительный термодесорбционный спектрометр,

9) времяпролетный десорбционный спектрометр с возбуждением вторичных частиц осколками деления.

б) Экспериментальные результаты по исследованию диффузии продуктов деления в реакторных материалах, в частности, способность осколков деления каналировать, а также образовывать радиационные дефекты в молибдене на глубинах далеких от места остановки осколка деления, замедление послерадиационной диффузии продуктов деления в молибдене с ростом дозы облучения осколками деления, склонность некоторых продуктов деления к сегрегации на внешней поверхности пиролитического углерода и накоплению возле границы раздела пиролитический углерод-графит.

в) Результаты экспериментов и расчетов по утечке продуктов деления из оболочек отработанного ядерного топлива(ОЯТ), показывающие, что при условии соблюдения заданного температурного режима охлаждения тепловыделяющих сборок, выход продуктов деления за счет диффузии не оказывает влияния на радиационную безопасность сухого хранилища ОЯТ.

г) Экспериментальные результаты по исследованию кинетики распыления материалов под действием облучения осколками деления, согласно которым установлено принципиальное различие механизмов распыления закиси урана и пленки из золота.

Созданный экспериментальный автоматизированный комплекс :тановок, методик, разработок и совокупность полученных в иссертацин научных результатов, а также сформулированные на их :нове выводы и положения можно квалифицировать как новое рупное достижение в развитии методической и экспериментальной азы для комплексного исследования взаимодействия осколков гления с конструкционными материалами ядерно-энергетических :тановок.

Апробация работы: Основные результаты диссертационной работы экладывались и обсуждались на Всесоюзных совещаниях по эординацнн НИР на ядерных реакторах (Алма-Ата, 1974, 1982; омск, 19S4: Дмитровград. 1986), Всесоюзной конференции по адиацнонной физике твердого тела (Харьков, 1976), Всесоюзных колах по радиационной физике металлов (Бакуриани, 1978. 1986, Щ; Алушта, 1979), Всесоюзных совещаниях "Радиационные дефекты металлах" (Алма-Ата, 1980, 1983, 1986). 16-м заседании отраслевого :минара "Проблемы отработки ТВЭЛов на основе микроТВЭЛов для ТГР" (Подольск, 1987), Всесоюзном семинаре "Методика и техника :акторных и послереакторных экспериментов в радиационном атериаловеденин (Димитровград, 1984), 16-м Всесоюзном совещании э физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, ?86), Всесоюзной конференции по теоретической и прикладной здиационной химии (Обнинск, 1984), 7-й Всесоюзной конференции взаимодействие атомных частиц с твердым телом" (Минвуз, Минск, ?84), советско-японском семинаре по топливным элементам и эпливным композициям ВТГР (Токио, 1987). 5-ом Всесоюзном :минаре по вторичной ионной и иоино-фотонной эмиссии .Харьков, 1988г), Всесоюзной школе «Диффузия и дефекты» ( Нижний Новгород, 1989г.), Международной конференции «Physics of radiation Effects in Metals», (Венгрия, 1991 г.). Международной лучно-практической конференции «Ядерная энергетика в Республике азахстап. Перспективы развития»(г.Актау, 1996г.).

Основные результаты работы опубликованы в 32 работах.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, семи разделов, которых приведены результаты исследований, заключения, списка люльзованных источников и приложения. В каждом разделе дастся tpaKTcpiютика современного состояния рассматриваемой конкретной роблемы 1! обоснование постановки задачи. Основные результаты !ссертации укачаны н выводах к отдельным разделам, наиболее тпествеиные из них обобщены в заключении.

Диссертация изложена на 198 страницах машинописною текста. >держнт 8 таблиц, 93 рисунков, список литературы состой! из 231 .именований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность решаемой проблемы, сформулирована цель работы и поставлены задачи исследования. Перечислены основные положения, выносимые автором на защиту, указана научная новизна полученных результатов и их практическая значимость; описана структура диссертации; вкратце освещено современное состояние экспериментальных и теоретических исследований взаимодействия осколков деления с веществом и отмечены области науки и техники, где нашли практическое применение проявления положительных свойств ОД.

В 1-ом разделе даны основные характеристики ОД и ПД, систематизированы существующие теоретические представления и экспериментальные данные радиационных процессов при прохождении ОД через твердые тела.

Среди частиц, взаимодействующих с твердым телом, осколки деления ядер занимают особое место. Отличительными особенностями характеристик ОД являются их огромная кинетическая энергия (порядка ~ 172 МэВ), большой заряд (порядка +20) и широкий диапазон масс осколков в интервале от 72 до 161 с атомными номерами от 30 до 65. Кроме того, при делении ядра 235V средняя энергия деления распределяется следующим образом: ОД - 172 МэВ, нейтроны - 5 МэВ, мгновенное гамма излучение - 7 МэВ, гамма излучение деления - 6 МэВ, гамма излучение захвата - 8 МэВ и бета-частицы - 7 МэВ. Из этого следует, что при взаимодействии ОД с твердым телом последнее подвержено одновременно воздействию и других энергичных частиц: нейтронов, электронов и гамма-квантов.

Удельные потери энергии ОД в веществе, в основном, определяются их скоростью, причем эта зависимость довольно сложна. Основной причиной энергетических потерь для ОД являются ядерные столкновения (упругие столкновения с атомом мишени) и электронные, т.е. нсупругие столкновения, вклады которых различны в различных интервалах энергии осколка. Так, при входе в вещество, когда энергия ОД высока, его замедление происходит преимущественно благодаря электронным столкновениям. По мере потери энергии осколком растет вклад ядерных столкновении с атомами вещества и, в конце пробега ОД, преобладающим становится ядерное торможение. Известно, что, при прохождении ОД через вещество, основную долю энергии (-90"«) ОД отдает электронам и лишь- 10°о - непосредственно атомам решетки. Приближение парных столкновений, которое позволяет рассчитать характеристики процесса прохождения ОД в веществе (проективный пробег ОД, спектры первично-выбитых атомов и быстрых дельта-электронов мишени, среднее количество генерируемых точечных радиационных дефектов и

др.). в целом, правильно передает особенность распределения удельных потерь энергии ОД вдоль пробега. Однако и рамках данного приближения трудно оценить влияние осколочного облучения на физико-механические свойства вещества, т.к. оно определяется не только скоростью генерации дефектов, но п их типом и концентрацией, которая зависит от пространственного распределения генерируемых дефектов и скорости рекомбинации, а также концентрации стоков и примесей (продуктов деления). На большей части траектории ОД плотность энерговыделения очень высока (-104 эВ/А). вследствие чего имеют место высокоплотныс каскады атом-атом пых п атом-электронных столкновений, где линейное приближение неприменимо. Здесь возможно проявление коллективных возбуждений типа пика смещений и термопика.

В настоящее время существуют различные теоретические представления и модели относительно преобразования энергии электронного возбуждения в возбуждение решетки: кулоновский взрыв, термический пик, модель изолированного зерна, модель ударной волны и др. Экспериментально вопрос перехода электронного возбуждения от ОД в возбуждение решетки твердых тел изучен еще недостаточно. Определенный прогресс в этом вопросе достигнут благодаря работам Баранова И.А. с сотрудниками по распылению ОД ультрадисперсных покрытий, Гегузина Я.Е. с сотрудниками по распылению островковых пленок золота на диэлектрической основе. В работах Мартыненко Ю.В. и Явлинского Ю.Н. предложен механизм передачи импульса зернам металла вблизи поверхности электронами из области термопика от ОД за счет эффективной передачи их энергии атомам дефектной, приграничной области.

Однако, несмотря на значительное количество работ по взаимодействию ОД с веществами, в настоящее время не существует полной картины радиационных эффектов в зоне облучения ОД. Этот недостаток в определенной степени отрицательно сказывается на развитие прикладных проблем, связанных с взаимодействием ОД с веществом. Так, например, для оценки утечки ПД из топливной оболочки необходимы знания о кинетике развития радиационных явлений в ходе длительного облучения ОД и их влияния на процессы диффузии продуктов деления в зоне облучения, взаимодействия продуктов деления с радиационными дефектами и между собой; для подавления распыления делящихся веществ необходима информация о кинетике процесса распыления с дозой облучения и механизмах влияния структурных превращений на свойства покрытия и др. Имеющиеся в литературе отрывочные сведения в этой области получены, в основном, в статических опытах при низких дозах облучения.

В заключении раздела делается вывод о том, что для решени; прикладных вопросов, основывающихся на взаимодействии ОД веществом, необходимы систематические исследования воздействи ОД на материалы при различных дозах облучения осколками деления.

В соответствии с поставленными в работе задачами для расчет; прохождения ПД через оболочку топлива и оценки выхода их и оболочек отработанных тепловыделяющих сборок (TBC) реактор; ВВР-К необходимы знания о поведении ПД в оболочечны. материалах. В связи с этим второй, третий и четвертый раздель посвящены разработкам методов внедрения и диффузии ПД : различных материалах оболочек топлива, а также исследование закономерностей диффузии в этих материалах, получению численны: значений параметров диффузии ПД в зависимости от дозы облучени осколками деления.

Так, во 2-м разделе диссертации приведены расчет профиле] внедрения ПД в образцы различной формы из внешнего делящегос слоя, описание разработанных методов послойного анализа да оценки количества радиоактивных ПД, определения удельноп электросопротивления и термодесорбции гелия, экспериментальны результаты исследования особенностей внедрения ПД и образована дефектов в Мо при облучении ОД, полученные с помощью эти; методов.

В наших экспериментах облучение ОД и внедрение ПД в образщ проводились из внешнего источника. Внешнее облучение важно тем что в реальных ТВЭЛах реализуется именно такая геометри. облучения, а с другой стороны, внешнее облучение в отличие о внутреннего облучения, позволяет проводить исследовани радиационных эффектов от ОД в зоне облучения любых материалов. ] экспериментах по изучению диффузии ПД в материалах профил распределения ОД в образце является, в сущности, начальны! распределением диффузанта, которое необходимо знать да правильного расчета диффузионного распределения, а также дл расчета относительного выхода ПД из образца после или в процесс отжига. Особенно это важно в выбранной автором методике да сравнительно непродолжительных отжигов в лабораторных условиях когда изменение профиля распределения концентрации ПД npi отжиге незначительно, и влияние формы начального распределени ПД существенно. Кроме того, появляется необходимость знат профиль имплантированных ПД в образцах различной формь: плоские диски, шарики небольших размеров и пр. Зная его вид, мож№ сознательно подойти к выбору толщины источника ОД с тем, чтоб1 обеспечить наибольший массоперенос ПД в процессе отжига и Tet самым получить наилучшую точность в определении коэффициент; диффузии при одинаковой продолжительности отжига. Поэтому бы.

проведен расчет концентрационных профилей ПД, имплантированных в сферический и плоский образцы для случаев внедрения ПД из толстого и тонкого источников.

В качестве источника осколков деления использовался слой 235V толщиной ~1 мг/см2, равномерно нанесенный электролитическим методом на алюминиевую подложку. Облучение ОД и внедрение ПД в образцы осуществлялись путем облучения их в контакте с делящимся слоем при разных значениях флюенса нейтронов в канале реактора ВВР-К.

Определение профилей распределения ПД и радиационных повреждений в зоне облучения проводилось методом снятия тонких слоев с образца электролитическим способом с последующим измерением количества радиоактивных ПД в оставшейся части образца гамма спектрометрическим методом и измерением удельного электросопротивления четырехзондовым методом соответственно.

В результате установлено, что с увеличением дозы облучения ОД растет крутизна интегральных профилей начального распределения на малых глубинах внедрения ПД, т.е. как бы уменьшается длина проективного пробега ОД (см. рис.1.).

Это наблюдается для всех ПД: шВа, шТе, ,0}Яи и др. Полученные результаты объясняются тем, что при малых дозах облучения имеет место каналирование некоторой части бомбардирующих ОД, которое обусловило увеличение протяженности профиля начального распределения внедренных ПД за счет «длиннопробежных» ОД. По мере роста дозы облучения ОД увеличивается концентрация радиационных дефектов, блокирующих направления каналирования, и в результате этот эффект пропадает, а доля ПД, застрявших на малой глубине, растет.

Определение профилей радиационных повреждений в молибдене проводилось на поликристаллических образцах размером 30x1x0,005 мм, отожженных в вакууме (не хуже Ю^мм рт.ст.) при 1500 °С в течение 3-х часов. Удельное электросопротивление измерялось при 77 К. Сравнение измеренных профилей концентрации и

радиационных дефектов после облучения флюенсами: по нейтронам -1022 н/м2, по ОД - 1014 оск/см2 свидетельствует об их близости по форме. Кроме того, образуются дефекты на глубинах, превышающих пробег ОД. Этот эффект дальнодействия ОД в генерации радиационных дефектов обнаружен впервые и может быть связан с возбуждением и распространением упругих волн в решетке молибдена. Изучение возврата удельного электросопротивления молибденовых образцов, облученных только нейтронами и дополнительно облученных осколками, показало, что дополнительное осколочное облучение приводит к увеличению образования дефектов с низкой температурной стабильностью и появлению некоторого количества

высокотемпературных дефектов, которых нет при нейтронном облучении.

Нормированные интегральные профили имплантированного шА'е при разных дозах облучения молибдена ОД (1-1012,2-1013, 3-10ы, 4-1015

оск/см2).

Рисунок 1.

С целью определения типа радиационных дефектов и их эволюции при отжиге создана высокочувствительная автоматизированная установка для исследования термодесорбции гелия и других газов из металлических материалов. В методе термодесорбции для идентификации радиационных дефектов в качестве зонда выступает гелий, который образует с дефектами решетки, примесями различные гелий-вакансионные и более сложные комплексы, проявляет

склонность к образованию пузырьков. Спектры выделения гелия при нагреве образца очень чувствительны к структуре и составу материала, что позволяет по пикам выделения гелия с высокой точностью определять энергии активации отжига комплексов.

Одной из особенности созданной установки является то, что спектры ТДС гелия можно снимать как в интегральном , так и в дифференциальном режимах. Установка обладает рекордной чувствительностью по гелию равной 109 атомов на 1см3 вещества, полностью автоматизирована: подъем температуры образца осуществляется, практически, по любому временному закону, регистрация спектра и обработка с высокой точностью проводится с помощью компьютера.

Предварительное равномерное легирование гелием образцов молибдена производилось на циклотроне облучением альфа частицами. Затем эти образцы облучались осколками деления в реакторе. Результаты термодесорбционных исследований молибдена показали, что облучение ОД приводит к резкому подавлению и смещению в низкотемпературную область пиков выделения гелия. Это свидетельствует о том, что большая часть гелия при облучении осколками попадает в ловушки нового типа с большой емкостью, где количество вакансий на атом гелия больше единицы, и из которых выход затруднен. Такими ловушками являются обедненные зоны, образующиеся в каскадной области повреждения от энергичных первично-выбитых атомов и самих ОД. Сдвиг пиков выделения гелия в низкотемпературную область вероятно связан с легированием приповерхностных слоев молибдена продуктами деления, в частности Хе и Кг. Легирование Мо этими элементами в результате облучения осколками возможно приводит к возникновению мелких ловушек для Не типа Хе-V, Кг-У, которые опустошаются при пониженных температурах. Это согласуется с нашими данными по отжигу при пониженных температурах значительной части прироста удельного электросопротивления.

В 3-м разделе представлены методика изучения диффузии ПД, метод определения параметров диффузии, результаты исследования температурной и дозовой зависимостей коэффициентов диффузии ПД в монокристаллическом вольфраме и поликристаллическом молибдене. Обсуждается обнаруженное впервые явление замедления диффузии газовых и легколетучих ПД (Хе, Ва, Те) в Мо. Излагается методика нахождения параметров диффузионно-активационной модели миграции ПД по данным послойного анализа, которая успешно используется для обработки профилей осколочного Яи.

Объектами исследования были выбраны перспективные материалы для высокотемпературных ТВЭЛов: поликристаллический молибден и монокристаллический вольфрам. Перед проведением диффузионных

экспериментов проводилась предварительная термическая и электрохимическая обработка образцов с целью снятия внутренних напряжений и формирования структуры. Отжиги проводились в вакууме в интервале температур от 1100 до 1700 °С в течение 10^-100 часов. Облучение ОД проводилось в реакторе в диапазоне доз ОД 1012 - 10|5оск/см2.

Для определения параметров диффузии был разработан метод определения и анализа профилей концентрации, внедренных в образец ПД, до и после отжига. Профили концентрации ПД находили путем электрохимического снятия слоев с образца с последующим определением количества ПД в снятом слое (дифференциальный метод) или в оставшейся части образца (интегральный метод) гамма-спектрометрированием. Хорошее разрешение метода позволило в одном эксперименте получить данные по многим, различным по своим свойствам, ПД.

Параметры диффузии определялись путем сравнения и наилучшей подгонки расчетного профиля, вычисленного в рамках той или иной модели диффузии, к экспериментально измеренному. Для расчетов использовались либо модель классической диффузии, описываемой уравнением:

либо диффузионно-активационная модель:

Ч = + (2)

а дх

где С - концентрация диффундирующих атомов, т - концентрация атомов, захваченных ловушкой, Э - коэффициент диффузии, К\ -вероятность захвата атомов ловушкой, Кг - вероятность освобождения атомов из ловушки, О^ - эффективный наблюдаемый коэффициент диффузии.

Граничное условие на поверхности и начальное условие, соответствующее диффузионной задаче, определялись экспериментально. Уравнения (1) и (2) при заданных начальных и граничных условиях решались численно на ЭВМ методом фитирования параметров. Адекватность модели диффузии и ее параметры определялись путем минимизации средневзвешенного квадратичного отклонения расчетного профиля от экспериментального.

Установлено, что диффузионные профили ПД (Хе, Ва, Тс) удовлетворительно описываются моделью (1). а температурные

зависимости й^Т) в пределах ошибок измерении описываются законом Аррениуса (рис. 2).

П>ФФ = £>0е.хр(()мМ,/кГ)

Температурные зависимости коэффициента диффузии Ва в молибдене для четырех доз облучения

2000 1666 1426 Т,К

О,

си/с

-15

10

ль

10

-16 10

0.5 0.6 0.7 10>Т\К

1,2х 10'2, Д-1,2.x 10'■\ О-1,2х 10й. -1,2х 10» оск/см-\

Изучение дозовой зависимости диффузии ПД в молибдене от ОД показало, что с увеличением дозы облучения ОД параметры диффузии О^фф, А> (),фф уменьшаются. Замедление диффузии ПД в молибдене, обнаруженное впервые, сильнее проявляется с ростом температуры отжига и в интервале доз облучения Ю13 - 10й оск/см2 скорость замедления максимальна (рис. 3). Предлагается следующая физическая модель для объяснения торможения диффузии ПД в молибдене с дозой облучения ОД: при диффузии внедренных ПД в результате их взаимодействия с радиационными дефектами ваканспонного типа, созданными ОД, образуются комплексы типа (ПД+пУ). Последние менее подвижны, чем растворенные в образце атомы ПД.

Нормированная зависимость Б ксенона в Мо от дозы облучения при различных температурах отжига

1-1580"С. 2-1480"С. 3-1380"С, 4-1280|,С. 5-1 Ш»С.

В процессе отжига комплексы растут в размере за счет присоединения к ним новых ПД из твердого раствора или слияния нескольких таких комплексов в один. В результате образуются слабо подвижные газовые поры, отчетливо видимые в электронный микроскоп (рис.4).

Микроструктура молибдена, облученного п+ОД дозой 1011!н/см3( 10иоск/см2)

Увеличение -х 100000, а) у поверхности, облучаемой ОД(хЮ5); б) на глубине 2 мкм(х105); в) на глубине 2мкм после отжига при Т=1620"С в течение 1 часа; г) то же, что и (в) в течение Ючасон.

Рисунок 4

Теоретическая оценка распределения газовых пор по размерам для условий нашего эксперимента в предположении кинетического механизма коалесценцин нор показали хорошее согласие с экспериментом.

Замедление диффузии Ва и Те свидетельствует о том, что при высоких температурах диффузионных опытов они ведут себя как газообразный Хе. Диффузия Ли в молибдене описывается диффузионно-активационной моделью (2) и оказалось, что его подвижность на два порядка выше подвижности других ПД.

Впервые установлены температурные зависимости коэффициентов диффузии Ли и Zr в монокристаллическом вольфраме и определены энергии активации процесса диффузии. Вследствие очень низких значений константы захвата К, (<10-5 с1) можно говорить об отсутствии влияния радиационных дефектов от ОД на диффузию этих ПД в

Делается вывод о том, что при расчетах и оценках времени диффузионного выхода ПД через материал оболочки топлива следует учитывать замедление диффузии ПД с ростом дозы облучения осколками деления.

4-н раздел посвящен развитию методов определения и выявления закономерностей изменения в результате отжигов формы распределения концентраций ПД в пироуглероде и карбиде кремния, выполняющих роль защитных покрытий в микротепловыделяющих (МТ) элементах.

Суть метода изучения диффузии ПД в МТ элементах такая же, как и метода, описанного в разделе 3 - послойный анализ профилей распределения концентрации ПД. В качестве материалов диффузионной среды использовались покрытия из пиролитического углерода (РуС), осажденные из метана или пропилена на графитовые диски, а также плоские и сферические покрытия из карбида кремния (5/С), осажденные из метилтрихлорсилана на графит. Слои с РуС толщиной 1 + 10 мкм снимались механической шлифовкой на специально разработанном устройстве, а слои с 57С снимались химическим растворением.

В результате получены интегральные профили 2г, Ли, Те, Ва, Се и дифференциальные профили Су. По форме профилей установлены адекватные модели диффузии и граничные условия на поверхности для каждого типа ПД, найдены температурные зависимости коэффициентов диффузии и энергии активации (табл.1). Установлено, что на границе РуС-графнт Ли и '¿г проявляют способность к накоплению, а Се и Ли сегрегируют на внешней поверхности РуС, осажденного из пропилена. Эксперименты показали, что, в целом, покрытия РуС из пропилена обладают лучшими удерживающими свойствами по сравнению с покрытиями из метана.

Получены температурные зависимости О/Т) для '¿г, Ли, Се, и С.\ в покрытиях из карбида кремния (табл.2).

Таблица 1.

Тип ПД "1Се "ТА ""Ни v,Zr иоВа

D(„ см*/с 63,5 7.5-К)-5 2.41-10- 2.7 МО-1 2.8Т06

Q, ккал/моль 74,5 47,7 73.У 46,0 104,9

Таблица 2.

Тип ПД "'Се ""C.Y "»'/iw "Zr

D„, см-/с 2.5-Ю-з 1.6-10-« 1.6-KV 2-Ю'

Q.. ккал/моль 60,1 51,7 57,6 58

Установлено, что диффузия в сферических образцах с SIC покрытием протекает значительно медленнее, чем в плоских. Это различие связывается с технологией изготовления слоев SiC и геометрией образцов.

В 5-м разделе приведен расчет прохождения ПД через оболочку высокотемпературных ТВЭЛов с использованием результатов диффузионных экспериментов, представленных в разделе 3. Решена задача о проницаемости ПД, образующихся непосредственно при делении 235 U и при распаде радиоактивных изотопов, через оболочку ТВЭЛа в самом общем виде, и затем получены асимптотические выражения для частных случаев. Получены временные зависимости количества накопленных ПД (изотопов рутения) вне оболочки ТВЭЛ (на коллекторе) при различных значениях постоянной распада ПД, растворимости ПД в материале оболочки, коэффициентов диффузии ПД в топливе п оболочке.

Из расчетов установлено, что с ростом коэффициента диффузии D2 в оболочке накопленне(М) рутения на коллекторе растет. Кроме того, отмечается сильная зависимость М от значения коэффициента диффузии D, в топливе. Это говорит о необходимости учета D, в расчетах по прохождению ПД через оболочку высокотемпературного ТВЭЛа. Из зависимости количества накопленного Rh на коллекторе от постоянной распада Л для разных /), можно пндеп., что при малом значении л накопление растет со временем, но не допишет насыщения. При больших значениях накопление выходиi на насыщение. Из разработанной обшей теории следует. что: 1 j количество накопленного Ru существенно зависит от толщины

оболочки ТВЭЛа и периода полураспада ПД, 2) при сравнимых значениях коэффициентов диффузии ПД в топливе и оболочке кинетика накопления ПД на коллекторе сильно зависит от их конкретных значений, 3) при низкой растворимости ПД в материале оболочки М перестает, зависеть от коэффициента диффузии ПД в топливе и определяется диффузионной подвижностью ПД в оболочке, а также скоростью имплантации в оболочку.

Разработанная методика расчета количества накопленного ПД вне оболочки ТВЭЛа с использованием коэффициентов диффузии ПД, определенных на основе экспериментальных результатов диффузионных исследований, позволяет прогнозировать время выхода ПД через оболочку ТВЭЛа.

В 6-м разделе описана методика эксперимента по исследованию кинетики распыления 1/зО» и Ли в активной зоне реактора ВВР-К и представлены результаты этих экспериментов, проведенных в одних и тех же условиях облучения осколками деления в реакторе.

В отличие от известных исследований по распылению материалов, выполненных в основном с использованием спонтанно делящегося изотопа 252С/в условиях малых доз облучения ОД, в настоящей работе исследована дозовая зависимость коэффициента распыления 1/зО: и Ли от облучения осколками деления в реакторе в диапазоне 10" + 10й оск/см2. Вопрос распыления, обусловленный осколками деления, принципиально важен для выяснения механизма перехода энергии электронного возбуждения в кинетическую энергию движения атомов. Кроме того, преследовалась и практическая цель: установить возможность подавления распыления делящегося вещества металлическим покрытием на примере золота и установить пределы его радиационной стойкости.

Для проведения реакторного эксперимента по распылению была разработана специальная экспериментальная сборка (рнс.5), в которой было предусмотрено изучение распыления одновременно с четырех мишеней-эмиттеров: двух мишеней со слоями и ¡Он разных толщин (I мг/см2 и 4 мг/см2) и двух мишеней с такими же слоями и ¡Ох, но покрытых тонкими (~0,2 мкм) слоями золота.

Мишени-эмнттеры неподвижно находились в центре активной зоны реактора, где поток тепловых нейтронов составлял 2х 10'- н/см2с. Распыленные вещества собирались на коллекторах, расположенных напротив эмиттеров. Коллекторы дистанционно перемещались через определенное время, соответствующее некоторой дозе облучения мишеней-эмиттеров осколками деления.

Количество распыленного урана рассчитывалось по альфа-активности коллекторов, а количество распыленного золота определялось с использованием метода нейтронно-активаннонного анализа по тЛи. Характер распыления урана(атомнып пли кусковый)

и профиль распределения распыленного урана па плошали коллектора определялись методом твердотельных детекторов.

Эскизное изображение экспериментальной сборки хтя изучения кинетики распыления

Рисунок 5.

Коэффициенты распыления с учетом ре-»миссии с коллектора определялись путем обработки кривых накопления распыленного вещества на коллекторе. В результате получены зависимости

коэффициентов распыления урана и золотого покрытия от дозы облучения осколками деления (рис. 6,7).

Зависимость коэффициента распыления урана от флюенса осколков деления для двух толщин эмиттеров.

10» 10*2 1015 ] , осе/СМ 2

Рисунок 6.

Характер изменения коэффициента распыления урана с дозой облучения ОД одинаков для тонкого и толстого эмиперов: при малых дозах он не меняется, а начиная с дозы 4х 101: оск/с.м- наблюдается его снижение. Вместе с тем, коэффициент распыления для толстого эмиттера всегда меньше коэффициента распыления для тонкого.

Зависимость коэффициента распыления покрытия из золота от дозы облучения ОД при разных толщинах делящегося слоя (о-4.8мкм,

0.5мкм).

Рисунок 7

Это важный для идентификации механизма распыления результат, который свидетельствует о том, что распыление вещества в данном случае осуществляется за счет энергии, потерянной ОД в неупругнх столкновениях ((1ЕА/х)с. В самом деле, с увеличением толщины делящегося слоя уменьшается средняя энергия ОД. Соответствующее уменьшение (1Е/с1х на поверхности, необходимое для понижения коэффициента распыления характерно только для ((1Е/(1х)е. Уменьшение коэффициента распыления с дозой, очевидно, вызвано изменением структуры эмиттера под действием облучения. Характерно, что для толстого эмиттера деградация коэффициента распыления наступает при больших лозах, чем для тонкого. Эю внонь свидетельствует о том, что повреждение материала и. соответственно, изменение коэффициента распыления происходит за счет неупругих столкновений ОД с атомами эмиттера. Под действием осколочного

облучения, по-видимому, происходят такие структурные изменения эмиттера, которые препятствуют эффективной «перекачке» энергии электронного возбуждения в возбуждение решетки, в результате чего коэффициент распыления уменьшается.

Изучение характера распыления показало, что, в основном, имеет место атомное распыление и лишь небольшая часть вещества распыляется в виде кусков.

Зависимость коэффициента распыления золотого покрытия от дозы облучения ОД имеет немонотонный характер. Высокие значения коэффициентов распыления при малых дозах ОД и быстрое их уменьшение с дозой связаны со структурными изменениями золотой пленки в процессе облучения. Установлено, что возможно протекание одновременно двух процессов - это, во-первых, сильное распыление мелких зерен и пылинок, образованных в процессе напыления пленки золота на подложку из иЮх и, во-вторых, радиационно-ускоренное спекание пленки и образование крупнокристаллической структуры в результате упругих и неупругих взаимодействий ОД с атомами золота. О последнем свидетельствует уменьшение коэффициента распыления до значений 20-40 ат/оск, характерных для массивного золота. Увеличение коэффициентов распыления при дозе выше 5x1012 и 1013 оск/см2, может быть следствием, например, накопления радиационных повреждений в пленке золота от осколков деления (сетки дислокаций, кластеры дефектов и др.). Следует отметить еще один важный, с точки зрения надежности защитных свойств покрытия, результат, заключающийся в том, что вплоть до дозы облучения эмиттеров ~1012 оск/см2 на соответствующих коллекторах не было обнаружено урана, т.е. золотое покрытие до указанной дозы облучения надежно защищало уран от распыления. С момента роста коэффициента распыления золота( что соответствовало дозе 5х10|2-1013 оск/см2) на коллекторах появились следы урана, т.е. защитные свойства золотого покрытия стали ухудшаться. Очевидно следует считать, что указанный интервал доз облучения ОД является пределом радиационной стойкости данного покрытия.

На основании имеющихся в литературе электронно-микроскопических данных, свидетельствующих о том, что начиная с доз.облучения ОД, составляющих 1012 оск/см2 имеет место перекрытие каскадных областей повреждения от ОД, предлагается следующая модель распыления покрытия из золота при больших дозах облучения: в результате перекрытия каскадных областей повреждения образуются области, окруженные дефектными границами за счет перекрывания отдельных каскадов, в которых локально может выделиться тепло от электронного термопика. Это тепло, по аналогии с известной теорией электронного механизма распыления мелкокристаллических структур.

вероятнее всего приведет к зарождению и развитию трещины, что повлечет отслоение всей этой области.

В 7-м разделе представлены материалы по разработке н созданию универсального времяпролстного спектрометра с возбуждением и ионизацией вторичных частиц осколками деления (ОД) для научных исследований взаимодействия тяжелых заряженных ионов с веществом, а также для практического использования его в масс-спектрометрии высокомолекулярных соединений в биологии, химии, медицине.

Известно, что исследование характеристик вторичных частиц (электроны, ноны, атомы ), эмиттнруемых из твердого тела при бомбардировке ускоренными ионами, даст важную информацию о механизмах взаимодействия первичного иона с веществом, об элементном составе приповерхностных слоев изучаемой мишени. В последнее время интерес исследователей к распылению материалов под действием быстрых (Мэв-ных) тяжелых ионов направлен, в основном, на две цели. Первая - получение фундаментальных знаний о неупругом взаимодействии быстрых ионов с веществом, а именно: о механизме передачи электронного возбуждения, возникающего при прохождении тяжелого иона в твердом теле, ионной подсистеме. В результате такого взаимодействия происходит эмиссия вторичных частиц (атомов, молекул, ионов). Вторая цель - чисто практическое применение этого явления для получения сверхтонких изотопных слоев, масс-спектрометрического анализа материалов, главным образом, нелетучих, а также термически нестабильных органических и неорганических веществ с большими молекулярными весами. Однако систематических исследований в последнем направлении еще не проведено. Пока еще не вполне определены условия эксперимента, а также класс материалов, для которых возможно получение сведений о структурном состоянии по характеристикам вторичной эмиссии при взаимодействии высокоэнергетичных тяжелых ионов с веществом. Поэтому поиск в данном направлении перспективен и исследования следует продолжать.

Для анализа вторичных ионов по массам большим достоинством времяпролетного метода является также теоретически неограниченный верхний диапазон регистрируемых масс, что особенно важно при регистрации кластерных ионов. Большая светосила и информативность, возможность раздельной регистрации вторичных электронов, положительных и отрицательных ионов и атомов заставили автора остановить спой выбор на иремяиролетном методе исследования характеристик вторичных частиц, эмнггируемых из исследуемой мишени при облучении осколками деления от спонтанно делящегося источника. Для реализации данного метода, прежде всего, необходимо было провести большую работу по

созданию многофункциональной, сверхвысоковакуумной установки с источником осколков деления (ОД) и устройством для изменения угла падения ОД на мишень в процессе эксперимента, а также по созданию времяпролетного спектрометра с соответствующими детекторами и аппаратуры быстрой электроники.

При разработке спектрометра автором выбрана такая геометрия системы «пучок ПИ - мишень», которая позволяет реализовать схему взаимодействия первичных ионов с мишенью на «отражение» (рис.8).

Схема геометрии системы -пучок ПИ-мишень

УсГОрЯЮШД'

Д-3 Е

19 села

Д-1

ВИ, ВЭ, НА \J ф

1

пи

1

т

"СТОП"

С(-252"

Мвшевь

"СТОП "

Koastptop алсггровов

Временное разрешение спектрометра на полувысоте пика :оставило 1нс (185 пс/канал). В качестве образца-мишени был взят залин (CsHnNO:, а-аминоизвалериаиовая кислота ) с молекулярным зесом 117 ед. и измерен временной спектр его отрицательных ионов зри отрицательном напряжении на мишеии 5 киловольт (рис.9).

Временной спектр отрицательных ионов валика

N,

кип

1500

1000

500 '

( М-Н )

.J-ibiJ.

26"

xjLXL^J—^

900 1300 1700 2100 2500 Врепя, не

На спектре отчетливо проявляется структурный фрагмент исходного вещества в виде депротонированного иона валина (М-Н)- < молекулярным весом 116 ед. Кроме основной линии в спектр« присутствуют линии других вторичных ионов, являющимис; осколочными и примесными фрагментами исходного вещества Сравнение измеренного нами спектра валина со спектром полученным другими авторами показывает их полную идентичность.

Отличие данного спектрометра от других аналогов состоит в том что, во-первых, для измерения зависимости выхода ВИ от угл; падения ПИ геометрия "источник ОД - мишень" сделан; изменяющейся, и, во-вторых, в спектрометре предусмотрен; дополнительная низкоэнергетическая ионная пушка (тип; дуаплазмотрон) для обработки (очистки и модификации) поверхносп исследуемого образца. Исследование зависимости выхода вторичные ионов от угла атаки первичными ионами (ОД) позволяет определит! оптимальный угол бомбардировки мишени, при котором выход hohoi максимальный. Кроме того, знание функциональной зависимости выхода ВИ от угла падения ПИ важно для теоретических расчетов i построения физических моделей распыления твердых тел. Наличи< дополнительной ионной пушки расширяет ' экспериментальны! возможности спектрометра, например, можно проводить послойньн масс-спектрометрический анализ путем предварительного распыленш мишени низкоэнергетическим ионным пучком с последующа измерением спектра масс, модифицировать поверхность исследуемогс образца для изучения зависимости выхода ВИ от поверхностно! структуры мишени, что важно для получения информации с механизме десорбции под действием ОД.

В Приложении дается оценка времени диффузионного выход; продуктов деления из отработанного ядерного топлива реактора ВВР К, что необходимо при проектировании сухого хранилищ; отработанных топливных сборок.

Проблема длительного сухого хранения ОЯТ реактора ВВР-Ь связана со следующими двумя обстоятельствами:

- ограниченностью емкости баков - хранилищ ОЯТ,

- невозможностью в обозримом будущем переработки ОЯТ н< заводах Российской Федерации из-за ее очень высоко! стоимости.

При поиске приемлемого для реактора ВВР-К способа сухогс хранения актуальной является оценка времени диффузионного выход; продуктов деления через оболочку отработанных TBC. Это важно дш обеспечения радиационной безопасности при сухом хранении ОЯТ. i немногочисленных научных публикациях, посвященных сухому способу хранения ОЯТ, отсутствуют сведения об отработанны)

топливных элементах исследовательских реакторов, в частности, с оболочкой из алюминиевых сплавов.

Исходя из вышеизложенного возникла потребность оценки времени диффузионного выхода продуктов деления через оболочку ТВЭЛ при температуре сухого хранения, для чего необходимо :

а) экспериментально и расчетным путем определить энерговыделение в тепловыделяющей сборке (TBC).

б) экспериментально определить как глубоко от внешней поверхности оболочки ТВЭЛ залегают ПД.

в) оценить время выхода ПД на внешнюю поверхность оболочки ТВЭЛа.

Тепловыделяющие элементы реактора ВВР-К представляют собой ядерное топливо UAU в оболочке из сплава на основе алюминия. Толщина топливного сердечника 0,6 мм, толщина оболочки 0,6 мм. Для исследования были выбраны отработанные TBC с максимальным выгоранием и после длительной выдержки в мокром хранилище.

Расчетно-экспериментальным путем определены величины энерговыделения ОЯТ реактора ВВР-К, в частности, для TBC с максимальным выгоранием 40% и длительностью выдержки в мокром хранилище 10 лет эта величина установлена равной 2,5 Вт. Разработана методика последовательного снятия слоев с высокорадиоактивных отработавших тепловыделяющих сборок, с помощью которой прозондирована глубина залегания продуктов деления в топливной оболочке. На расстоянии 190 мкм от поверхности вглубь оболочки ТВЭЛ следов продуктов деления не обнаружено. Оценка времени, за которое цезий мог бы продиффундировать на это расстояние при значениях коэффициента диффузии (10-15-10-18) см2/с, взятых из литературы для диффузии стабильных элементов в алюминии, проведена согласно известному соотношению: X=(Dt)1/2 , где X - длина • диффузионного перемещения атомов, см, D -коэффициент диффузии, см2/с, t - время диффузионного процесса,с.

/ = X2/D = (190*10"4)2/10"15 = 3.61 10пс = 1.14 10" лет.

Согласно этой оценке вклад диффузионного выхода ПД на внешнюю поверхность оболочки отработанных TBC, при правильной организации теплосъема с TBC и соблюдения заданных температурных условий, крайне мал. Следовательно, влиянием диффузионного выхода ПД из топливной оболочки во внешнюю среду на радиационную обстановку в сухом хранилище при температуре хранения ОЯТ, равной 70 °С, можно пренебречь.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

В диссертации представлены методические и инструментальные разработки, предназначенные для исследований в области

радиационной физики и реакторного материаловедения п< воздействию осколков деления на металлические и композиционны реакторные материалы, а также, полученные с их использование» результаты экспериментального изучения закономерностей диффузш продуктов деления в этих материалах, облученных осколками деления утечки продуктов деления из оболочек тепловыделяющих элементов кинетики распыления различных по своим электрофизически» свойствам материалов от дозы облучения осколками деления Совокупность полученных в диссертации научных и практически: результатов и выводов заключается в следующем:

а) Созданы оригинальные устройства и установки, а такж! разработаны и внедрены новые методики для экспериментальной исследования особенностей воздействия осколков деления н; реакторные материалы, включающие:

1) новый методический подход к послойному анализ; пространственного распределения продуктов деления в различны: материалах,

2) методики приготовления источников осколков деления и образцов

3) методику определения параметров диффузии продуктов деления ] реакторных материалах,

4) методику расчета количества накопленных продуктов деления вн оболочки тепловыделяющего элемента за счет их диффузионноп выхода в процессе генерации осколков деления,

5) методику и экспериментальные сборки для исследования кинетик! распыления материалов осколками деления в активной зон реактора ВВР-К,

6) устройства для высоковакуумного и высокотемпературной отжига образцов,

7) устройства для термо-механической и электрохимическо! обработки радиоактивных образцов,

8) высокочувствительный термодесорбционный спектрометр,

9) времяпролетный десорбционный спектрометр с возбуждение» вторичных частиц осколками деления.

б) При оценке диффузионного выхода и времени прохождени: продуктов деления через оболочку ТВЭЛа необходимо учитывав особенности создаваемых в материале оболочки радиационны; повреждений в случае облучения осколками деления, имплантации продуктов деления и дозовую зависимость их коэффициента диффузии. Этот вывод основан на том, что:

1)При облучении осколками деления поликристаллическог« молибдена наблюдается эффект каналирования, которьц экспериментально обнаруживается по аномально глубоком; внедрению продуктов деления (Хе, Ва, Те и др.). Каналирования

осколков деления происходит при низких (Ш"ч-1012 оск/см2) дозах облучения и исчезает с ростом флюенса вследствие накопления радиационных дефектов. В зоне имплантации образуются вакансионные кластеры и дислокационные петли, которые оказывают существенное влияние на процессы диффузии и газовыделения, являясь эффективными ловушками газовых продуктов деления и местами зарождения газовых пузырей. Изучение пространственного распределения радиационных повреждений показало их наличие на глубинах, превышающих пробеги осколков деления. Однозначно установлено, что радиационные повреждения от осколков деления представляют собой вакансионные кластеры.

2) При температурах послерадиационного отжига молибдена выше 1500 °С и за время 10 +100 часов в зоне внедрения продуктов деления кластеры дефектов полностью отжигаются, происходит образование и рост пор.

3) Послерадиационный термический отжиг исследованных материалов приводит к заметному перераспределению внедренных продуктов деления, достаточному для надежного определения их коэффициентов диффузии. Обнарз'жено явление замедления диффузии Хе, Ва, Те в молибдене при высоких (выше 1013 оск/см2) дозах облучения осколками деления, обусловленное захватом продуктов деления вакансионными кластерами. При высоких дозах диффузия продуктов деления преимущественно происходит по механизму миграции газонаполненных пузырей. Характер диффузии твердых продуктов деления в Мо, IV и в композиционных материалах (РуС\ БгС) неодинаков и существенно зависит от типа продукта деления. Процессы восходящей диффузии(1311), сегрегации на поверхности(|03Ки, 141Се) и накопления (,03Ни, ч'2г) на внутренних границах раздела зависят от взаимодействия мигрирующих ' продуктов деления с радиационными дефектами.

4) Разработанные автором математическое и программное обеспечения экспериментов по изучению диффузии позволяют достоверно установить адекватную модель диффузии продуктов деления по экспериментальным данным послойного анализа.

в) Установлено принципиальное различие механизмов распыления иЮк и Ли. В случае ИзОн имеет место неупругий механизм распыления. Немонотонная зависимость коэффициента распыления пленки Аи от дозы облучения осколками деления свидетельствует, что механизм распыления пленки изменяется в зависимости от ее структурного состояния: с переходом структуры пленки с рыхлого состояния' в крупнокристаллическое в процессе радиационно-

ускоренного спекания имеет место упругое распыление золота Показано, что распыление закиси урана при облучении нейтронам! можно подавить путем его покрытия тонким (-0,2 мкм) слоем металлг (золота). Такое покрытие выполняет защитную функцию вплоть дс значений флюенса 1012оск/см2.

г) Разработанная на базе созданного многофункциональное времяпролетного десорбционного спектрометра методша исследования выходных характеристик вторичных частиц эмиттируемых из твердого тела под действием осколков деления позволяет глубже исследовать природу взаимодействия осколко! деления с твердым телом и установить механизмы передачи энергш осколков в кинетическую энергию движения атомов вещества.

Результаты и выводы, полученные в диссертации, могут найт! практическое применение, например, в атомной и термоядерно! энергетике при решении проблем повышения ее безопасности:

а) Разработанные в данной работе экспериментальные методики i установки, нашли применение в исследованиях в облает! радиационной физики металлов и сплавов, радиационной материаловедения, а некоторые результаты настоящей диссертацш внедрены в ПНИТИ (г.Подольск), ФЭИ (г.Обнинск). ИТЭЗ (г.Москва).

б) Результаты расчетов времени прохождения продуктов делени; через оболочечные материалы и данные по эффективныл коэффициентам диффузии широкого круга продуктов деления i различных реакторных материалах могут использоваться Kai справочные при новых разработках. Оценка времени диффузионногс выхода продуктов деления из оболочек отработанных TBC реактор; ВВР-К важна для принятия технических решений при разработке проекта сухого хранилища отработанного ядерного топливг реакторного комплекса ВВР-К.

в) Защитные функции покрытия из металла полезны в разработках где предъявляются повышенные требования к загрязнению рабоче! среды ЯЭУ делящимся веществом.

Подводя итоги работы в целом можно заключить, что созда! многопрофильный экспериментальный комплекс установок, методик i разработок, позволяющий вести широкие экспериментальны! исследования по фундаментальным и прикладным проблемал радиационной физики взаимодействия осколков деления ядер < материалами, и с его использованием получен обширны! экспериментальный материал, связанный с влиянием облучени; осколками деления на процессы диффузии и утечки продуктов делени;

в реакторных материалах, десорбции и распыления атомов вещества,

результаты которого являются важным вкладом в' радиационную

физику и реакторное материаловедение.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих

работах:

1. Бекмухамбетов Е.С., Даукеев Д.К., Жотабаев Ж.Р. Влияние конечности скорости газовыделения на распределение газа, внедренного в твердое тело при диффузионном отжиге // Изв.АН КазССР. Сер. Физ.-мат. 1974. -4. С.72-74.

2. Бекмухамбетов Е.С., Даукеев Д.К., Жотабаев Ж.Р., Ибрагимов Ш.Ш., Реутова H.A. Определение коэффициента диффузии радиоактивного ксенона в молибдене // Изв.АН КазССР. Сер. Физ.-мат. 1974. -6. С.76-78.

3. Бекмухамбетов Е.С., Даукеев Д.К., Ибрагимов Ш.Ш., Жотабаев Ж.Р., Реутова H.A. Зависимость диффузии осколочного ксенона поликристаллическом молибдене от температуры // Изв. АН КазССР. Сер. Физ.-мат. 1975. -4. С.78-80.

4. Бекмухамбетов Е.С., Даукеев Д.К., Ибрагимов Ш.Ш., Жотабаев Ж.Р., Реутова H.A. Эффект торможения диффузии осколочного ксенона в молибдене при больших дозах облучения осколками деления //ДАН СССР. 1975. -220. 5. С. 1060-1062.

5. Бекмухамбетов Е.С., Даукеев Д.К., Ибрагимов Ш.Ш., Жотабаев Ж.Р., Влияние облучения осколками деления на диффузию ксенона в молибдене // Вопросы атомной науки и техники. Сер. ФРП и РМ. Харьков. 1977. Вып. 1(4). С.40-45.

6. Бекмухамбетов Е.С., Даукеев Д.К.Ю Иушш Ю.Л., Реутова H.A., Жотабаев Ж.Р. Эффект каналирования при бомбардировке молибдена осколками деления // Физика металлов и металловедение. 1977,-44,6. С. 1311-1313. 1

7. Бекмухамбетов Е.С., Даукеев Д.К., Иушш Ю.Л., Реутова H.A., Жотабаев Ж.Р. Диффузия 14(,Ва и 132Те в молибдене. // Физика металлов и металловедение. 1978, -46. Вып. 1. С. 192-104.

8. Бекмухамбетов Е.С., Даукеев Д.К., Жотабаев Ж.Р., Реутова В.Ф. Закономерности внедрения и миграции некоторых продуктов деления в материалах в зависимости от дозы облучения осколками деления.//Изв.АН КазССР.Сер.фнз.-мат. 1981. -2. С.68-71.

9. Бекмухамбетов Е.С., Даукеев Ж.Р.. Жотабаев Ж.Р., Мусурман-кулов Р.Т. Диффузия 1511 и Ru в монокрпсталлическом вольфраме. //Атомная энергия. 19S2. -53. -4.С.265.

10.Даукеев Д.К.. Жотабаев Ж.Р., Мусурманкулон Р.Т.. Реутова H.A. Диффузия продуктов деления >0,Ru, 45Zr в монокрпсталлическом вольфраме// Атомная энергия. 1984. -57. 1. С.53-54.

П.Даукеев Д.К... Жотабаев Ж.Р. , Иунин Ю.Л., Мусуррманкулов Р.Т., Реутова H.A. Миграция осколочного 103Ru в поликристаллическом молибдене// Изв.АН КазССР. Сер.физ.-мат. 1984. -2. С.6-11.

12.Даукеев Д.К., Жотабаев Ж.Р., Мусурманкулов Р.Т., Реутова H.A. Диффузия продуктов деления в молибдене и вольфраме / Тез. докл. Всесоюз. семинара "Методика и техника реакторных экспериментов в радиационном материаловедении". Дсп. Димитровград. 1984. С.11.

13.Даукеев Д.К., Жотабаев Ж.Р., Мусурманкулов Р.Т. Оценка времени прохождения продуктов деления через модельные материалы / Там же. С.12.

14.Даукеев Д.К.. Жотабаев Ж.Р., Логинов В.Ф., Хромушин И.В. Установка для исследования газовыделения из твердых тел // Изв.АН КазССР.Сер.физ.-мат. 1984. -6. С.77-78.

15.Жотабаев Ж.Р., Хромушин И.В. Высокотемпературная вакуумная печь сопротивления II Там же. С.80-81.

16.Даукеев Д.К. . Жотабаев Ж.Р., Ибрагимов Ш.Ш., Хромушин И.В. Закономерности выделения гелия из дефектных материалов // Тезисы докл. 1 Респуб.конф."Физика тв.тела и новые области ее применения". -Караганда, 1986. С.93

17.Даукеев Д.К. .Жотабаев Ж.К. ,Хромушин И.В. Новый поход к исследованию кинетики отжига дефектов (математическое обеспечение). Алма-Ата. 1986. 21 с. /Препринт /ИЯФ АН КазССР: 386.

18.Даукеев Д.К., Жотабаев Ж.Р., Ибрагимов Ш.Ш., Мусурманкулов Р., Реутова H.A. Радиационные явления при прохождении осколков деления через металлические материалы. -Алма-Ата. (Деп. в ВИНИТИ 6.08.86 N5611-В96.).

19.Даукеев Д.К., Жотабаев Ж.Р.,Хромушин И.В. Влияние углерода на тсрмодесорбцию гелия из ниобия. -Алма-Ата, 1987 С. 12-14. /Препринт /ИЯФ АН КазССР: 14-87

20.Даукеев Д.К.. Жотабаев Ж.Р., Хромушин И.В. Современные представления о поведении гелия в облученных металлах и сплавах, полученные методом термодесорбционной спектроскопии. -Алма-Ата,. (Деп.в ВИНИТИ 9.02.88 .№11Ö7-B88.)

21.Даукеев Д.К., Жотабаев Ж.Р., Мумурманкулов Р.Т., Реутова H.A. Дозовые зависимости распыления слоев VjO« и Au осколками деления в реакторе. Алма-Ата, 1987. 19с. /Препринт/ ИЯФ АН КазССР.: 12-87

22.Daukeev D.K.. Ibragimov Sh.Sh, Zliotabaev, Musurmankulov R.T., Poltavtseva V.R. Peculiarities of Defects Formation in Mo when Implanting Fission Fragments// Rad.Effects. 1987, -104, 51-85.

!.Отчет: Изучение диффузии "твердых продуктов деления в карбидных материалах. № roc. per. У36810. 1987. ИЯФ АН КазССР. рук. Даукеев Д. К.

кДаукеев Д.К., Жотабаев Ж.Р., Цаплина Д.К., Возможности времяпролетной методики для исследования эмиссионных процессов при облучении твердых тел тяжелыми ионами, -М, (Депонирована в ВИНИТИ. № 5835-В88, 21.07.88.) '».Жотабаев Ж.Р., Сеилова К.С., Даукеев Д.К., Применение плазменно-десорбционной времяпролетной масс-спектрометрии в медицине и биологии, Препринт ИЯФ АН КазССР, 1991,31с. i.Daukcev D.K.. Zhotabaev Zh. R., Sputtering dynamics of Au and U:,Os layers under fission fragment irradiation. Materials Science Forum Vols, 1992. -97-99, 729-734. '.Аксенова Т.Н., Бирюкова А.Г., Даукеев Д.К., Жотабаев Ж.P., Хромушин И.В., Шмелькин J1.M., Исследование процессов спекания ядерного топлива АЭС. //Международная научно-практическая конференция «Ядерная энергетика в Республике Казахстан. Перспективы развития»: Тезисы доклада. Актау, 1996.-С.29.

!.Аринкин Ф.М., Бейсебаев А.О., Гизатулин Ш.Х., Жотабаев Ж.Р., Таланов C.B., Чекушин А.И., Расчетно-экспериментальное обоснование программы набора критмассы и формирования рабочей загрузки активной зоны реактора ВВР-К. //Международная научно-практическая конференция «Ядерная энергетика в Республике Казахстан. Перспективы развития»: Тезисы доклада. Актау, 1996.-С.95

'.Аксенова Т.Н., Бирюкова А.Г., Даукеев Д.К., Жотабаев Ж.Р., Хромушин И.В., Шмелькин Л.М., Применение метода термодесорбцнонной спектроскопии для контроля качества ядерного топлива //Новости науки Казахстана.-1997.-1.С.41-45. .Жотабаев Ж.Р.. Времяпролетный масс-спектрометр с возбуждением вторичных ионов осколками деления //Вопросы атомной пауки и техники, сер. Техническая физика и автоматизация, -М. 1997. вып. 52, С.59.

.Жотабаев Ж.Р.. Батырбеков Э.Г., Белякова Э.А.,Мальцева P.M., Петухов В.К., Соловьев Ю.А., Редькин A.B., Виииченко A.M., О возможности сухого хранения отработанного топлива реактора ВВР-К// Возобновление эксплуатации реактора ВВР-К, -Алматы, 1998.248 с.

.Жотабаев Ж.Р., Петухов В.К., Чекушин А.И. н др., О проведении энергетического пуска реактора ВВР-К. //Возобновление эксплуатации реактора ВВР-К, -Алматы. 1998. 248 с.

Development of the Investigation Techniques and Solution of the Applied

Problems Related to Interaction of Fission Fragments with Materials

The doctor thesis is devoted to development of a complete set of th experimental techniques intended for investigation of the physical processe that accompany interaction between the fission fragments and matter a well as for practical implementation of the obtained results for solving som applied problems.

The results of studies on radiation damages in reactor materials (sue as Mo, W, PyC and SiC) caused by fission fragments and the regularities i diffusion of fission fragments versus the dose of fragment irradiation ar presented. On a base of the results obtained, the calculations and th evaluation of fission product leakage from the materials of fuel elemen jackets have been performed. An opportunity is demonstrated fo suppression of material sputtering by fission fragments on a base of in reactor experiments on investigation of the dependencies of the sputterin factors of fuel and protective materials versus the fission fragment fluenct In particular, for gold coating, the radiation stability limit is found to b equal to the fiuence comprising 1012 fragments per cm2.

In this work, the time-of-flight spectrometer created by the author is described, in which fission fragments are used as the sources of excitation and ionization of secondary ions. The spectrometer is intended for investigation of interaction between fission fragments and solids as well as for mass spectrometry of high-molecular-weight thermally unstable organic substances.

"Белшу жаркыншактарынын реакторлык. магериалдармен взара эрекеттесушщ радиациялык физикасынын колданбалы мэселелерте таж1рибел1к зерттеулер"

Диссертация белжу жаркыншактарынын затпен езара эрекеттескенде етепн физикалык, процестерд1 зергтеп б1лу уилн тэж!рибел1к эдютемелер кешежн эз^рлеуге арналган.

Бул енбекте реакторлык, материалдардагы ( Мо, ЧЧ, РуС, ) белжу жаркыншактары тугызган радиациялык закЬ1мдарды зерттеу нэтижелер1 жэне бел ¡ну туындыларынын диффузиялык зандылыктары жаркыншактармен сэулеленд|ру дозасына байланысты келлршген. Алынган нэтижелерд! пайдалана отырып жылу шыгарушы элементтердеп отын кдбыгыныц материалынан бвл!ну туындыларынын шыгынга ушырауына есептемелер мен багалау жургЫлген. Отынды жэне к.оргагыш жабындыларды тозанга айналдыру еселттершщ бел ¡ну жаркыншактары флюенане тэуелдЫгш зерттеу жежндеп реакторлык гылыми таж'фибе непзЫде материалдардын тозандануын белшу жаркыншактары аркылы басып тастау мумкшшЫп керсетмген. Жеке алганда, алтын каптама ушж 1012 жарк./ см2 флюенске тен келетж онын радиациялык тез'мдииптн шеп белпленген. Бул енбекте автор жасаган ушып

ету уакытына бей ¡м дел ген спектрометр сыпатталган, онда бел1ну жаркыншактары кайталама иондарды коздыру жэне иондау кез1 ретЫде пайдаланылады. Спектрометр белжу жаркыншактарынын кдтты денемен езара эрекеттесуш зерттеуге, сондай-ак жогары молекулалык жылулык жагынан турлаусыз органикалык заттардын. массспектроскопиясына арналып жасалган.