Процессы переноса водорода в конструкционных материалах в поле ионизирующего излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЯДЕРНЫЙ ЦЕНТР РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ

На правах рукописи УДК 669.721+620.17+539.104

ТАЖИБАЕВА ИРИНА ЛАШКАРОВНА

ПРОЦЕССЫ ПЕРЕНОСА ВОДОРОДА В КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ В ПОЛЕ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Специальность: 01.04.07 - Физика твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Алматы, 1997

Работа выполнена в научно-исследовательском институте экспериментальной и теоретической физики Казахского Государственного Национального Университета им. аль-Фараби

Научный консультант: доктор химических наук,

профессор Бекман И.Н.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

член-корр. МАН ВШ Курдюмов A.A.

доктор физико-математических наук, профессор Писарев A.A.

доктор физико-математических наук, профессор Пятилетов Ю.С.

Ведущая организация: Институт Физической Химии РАН

Защита состоится 22 января 1998 года в 1430 часов на заседании диссертационного совета Д60.01.01 при Национальном Ядерном Центре Республики Казахстан по адресу: 480082, Алматы, 82, Институт ядерной физики НЯЦ РК.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института ядерной физики НЯЦ РК

/С

Автореферат разослан « / »_« 1997 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, /Ю . Косяк Ю.Г.

доктор физ.-мат. наук ¿/^¿^¿у

Актуальность темы. Актуальность предлагаемого исследования связана с решением одной из основных проблем физики твердого тела -разработкой фундаментальных основ создания конструкционных материалов с длительным сроком функционирования в условиях интенсивных термических, радиационных, химических, механических и других внешних воздействий. Основные трудности возникают при прогнозировании эксплуатации известных и новых материалов в атмосфере водорода при наличии радиационных полей. Решение этой задачи невозможно без детальных знаний механизма процесса миграции водорода в твердых телах в условиях одновременного воздействия нескольких факторов. Процесс проникновения водорода сквозь материал является многостадийным и включает в себя: взаимодействие с поверхностью (адсорбция), переход через границу раздела газ-твердое тело (абсорбция), растворение и диффузия водорода в объеме твердого тела и выход обратно в газовую фазу (десорбция). При этом отдельно следует рассматривать реконструкцию поверхности твердого тела при хемосорбции водорода, зарядовые состояния водорода на поверхности и в объеме, миграцию водорода в материале. Большой интерес представляет изучение каждой стадии взаимодействия водорода с твердым телом, особенно при создании неравновесных термодинамических условий, которые возникают в процессе воздействия ионизирующего излучения. Кроме того, система водород-металл является лучшим объектом для моделирования широкого класса процессов в области химической кинетики и гетерогенного катализа, физической электроники твердого тела. Существует необходимость определения параметров миграции водорода в различных твердых телах для составления справочных данных, в том числе при различного рода внешних воздействиях.

Перспектива использования водорода и водородосодержащих сред в термоядерных энергетических установках типа международного термоядерного экспериментального реактора ИТЭР, в ядерных ракетных двигателях ЯРД, ядерных реакторах АЭС, предопределяет необходимость детального изучения поведения конструкционных материалов в среде водорода при одновременном воздействии излучения.

Круг областей науки и техники, для которых изучение взаимодействия водорода с металлами представляет непосредственный интерес, чрезвычайно широк. Это радиационная физика твердого тела, водородное охрупчивание и коррозия, селективное выделение водорода из газовых

смесей, откачка и рекуперация водорода, вопросы эксплуатации различных реакторов, деталей к конструкций, работающих в водороде и водородосодержащих средах, и многие вопросы химии, нефтехимии, водородной и термоядерной энергетики, металлургии, реакторостроения, вакуумной техники и технологии.

Несмотря на огромное количество монографий и оригинальных работ, посвященных диффузии водорода в металлах и сплавах, в настоящее время отсутствует единая теория диффузии водорода, которая бы описывала весь набор экспериментального материала в широком интервале температур и давлений. Известны феноменологические теории диффузии легких примесей внедрения в различных материалах Херста-Гауса, Мак Набба и Фостера, развитые в дальнейшем Ориани, Мак Леланом и другими. И.Бекманом разработана теория и практическое применение метода диффузионного газового зондирования материалов, основанного на использовании процесса диффузии и растворения водорода в твердых телах для изучения неоднородностей структуры материала и разработки способов пространственно-временной реконструкции среды. Влиянию фазовогранич-иых эффектов на кинетику проникновения водорода в металлы посвящены работы А.Курдюмова с сотрудниками. В частности, ими обнаружена корреляция между величинами теплоты хемосорбции и растворения водорода и плотностью состояний на уровне Ферми металла. Влияние ионной бомбардировки на миграцию изотопов водорода в металлах и сплавах хорошо изучено в работах А.Захарова, М.Гусевой и др. Общие закономерности проникновения водорода в материалы с учетом влияния поверхностных эффектов и структуры металла описаны в работах А.Писарева. В то же время, экспериментов по изучению проницаемости и накопления водорода в процессе облучения проведено очень мало. Теории диффузии водорода или другой примеси внедрения при комплексных воздействиях: температурных, радиационных, химических и т.д., практически не существует.

В связи с этим настоящая работа, направленная на изучение закономерностей, механизмов переноса и накопления водорода в конструкционных материалах при воздействии реакторного и других видов излучения с учетом реальной структуры и поверхностных реакций, является необходимой и актуальной для решения широкого класса задач в области физики твердого тела, в частности, исследования взаимодействия водорода

с твердыми телами.

Цель работы состояла в экспериментальном изучении и установлении основных закономерностей процессов переноса и накопления водорода в различных твердых телах в поле ионизирующего излучения с учетом влияния реальной структуры материала, радиационных дефектов, неподвижных и подвижных комплексов водород-дефект, а также химических реакций на поверхности, обусловленных воздействием водорода и облучения, разработке комплекса новых методов и аппаратуры для реализации этих целей, применение этих методик для определения основных параметров взаимодействия водорода с твердыми телами, имеющими различное кристаллическое и электронное строение. Основное внимание уделено решению следующих задач:

• Изучение общих закономерностей взаимодействия водорода с различными материалами с учетом реальной структуры и состояния поверхности в неравновесных условиях, вызванных воздействием ионизирующего излучения.

• Создание комплекса экспериментальных установок и методов, обеспечивающих возможность определения диффузионных параметров водорода в реальных твердых телах в поле ионизирующего излучения, проведение имитационных экспериментов по насыщению изотопами водорода в процессе реакторного облучения и возможность исследования характеристик накопления и выделения водорода из облученных в водороде материалов.

• Построение феноменологических моделей диффузии водорода в материалах в процессе радиационного воздействия, адекватно описывающих экспериментальные результаты с учетом изменения состояния водорода в газовой фазе, влияния химических реакций на поверхности, взаимодействия с равновесными и неравновесными дефектами структуры, сегрегационных явлений в поле радиации и изменения зарядового состояния водорода на поверхности и в объеме.

• Изучение параметров проникновения водорода сквозь материалы на примере армко-железа и нержавеющей стали при воздействии ионизирующего излучения и определение характеристик накопления, выделения VI диффузионного массопереноса водорода в твердых телах со сложным кристаллическим строением на примере графита и бериллия, в том числе в многослойной системе (бериллий), содержащей окисную

пленку на поверхности. • Программное обеспечение экспериментов: управление, обработка и численное моделирование.

Обоснование выбора объектов исследования. В данной работе в качестве объектов исследования были выбраны материалы с различным строением кристаллической решетки и физико-механическими свойствами. Изучение основных параметров взаимодействия водорода с материалами в процессе облучения проводили в несколько стадий по степени усложнения строения твердого тела: армко-железо с ОЦК-решеткой, как модельный материал для отработки методики исследований, поскольку диффузионные характеристики водорода в нем в отсутствии излучения достаточно хорошо изучены; сталь аустенитного класса (08Х18Н10Т) на основе железа с ГЦК-решеткой; графит РГ-Т - как анизотропный материал с зеренно-бдочным строением и наличием включений в виде ГЦК-карбида титана; бериллий-материал, практически всегда содержащий окисную пленку на поверхности, имеющий кристаллическую структуру в виде плотноупакованной гексагональной решетки - в качестве примера изучения процессов в многослойной системе. Кроме того, все эти вещества являются конструкционными материалами ядерной и термоядерной энергетики, в частности, нержавеющая сталь - материал корпусов ядерно-энергетических установок, графит и бериллий широко используются в ядерных и термоядерных установках благодаря низкому атомному номеру, хорошим тегшофизичсским свойствам, стойкости к термоудару и низкой наведенной активности, что позволяет им работать в контакте с высокотемпературной водородной плазмой.

Научная новизна работы В настоящей работе впервые получены следующие основные результаты, имеющие существенное значение для расширения представлений современной физики твердого тела: 1. Установлены закономерности процесса переноса водорода в различных конструкционных материалах в поле ионизирующего излучения. Они заключаются в неаддитивности результатов одновременного и последовательного воздействия температуры, водорода и излучения на процесс взаимодействия водорода с различными средами; появлении нового канала массопереноса водорода; необратимости наблюдаемых явлений, связанной с охрупчиванием и появлением новых соединений; выявлении влияния скорости набора дозы облучения на параметры

переноса и накопления изотопов водорода в твердых телах. Все эти закономерности объяснены тем фактом, что генерация дефектов кристаллического и электронного строения твердого тела происходит одновременно с переносом водорода.

2. Выявлены особенности воздействия излучения малых доз на характер переноса водорода в материалах с различным кристаллическим и электронным строением. Обнаружено, что ионизирующее излучение оказывает влияние на процесс проникновения водорода в армко-железе и нержавеющей стати, что проявляется в увеличении эффективных коэффициентов диффузии и, в меньшей мере, констант проницаемости водорода с уменьшением соответствующих энергий активаций данных процессов. Эффект воздействия излучения увеличивается с уменьшением температуры, увеличением входного давления водорода и интенсивности облучения. Наблюдаются пострадиационные эффекты, проявляющиеся в том, что значение диффузионных параметров водорода в материалах после облучения не возвращаются к своим первоначальным значениям в отсутствии излучения.

Выявлено, что влияние излучения малых доз проявляется в увеличении каталитической активности поверхности графита и бериллия, распаде водородных комплексов и соединений, увеличении скорости захвата и высвобождения водорода из ловушек в приповерхностной области. Все эти процессы приводят к увеличению накопления водорода в облученных в водороде образцах графита и бериллия. Обнаружена зависимость эффекта радиационного активирования процессов массопереноса и накопления водорода в графите и бериллии от температуры насыщения, предыстории образца, энергетического спектра и мощности дозы облучения. Вычислен спектр энергий активаций газовыделения. Впервые обнаружен блпстеринг окисион пленки на поверхности бериллия в результате совместного воздействия молекулярного водорода, температуры и малых доз облучения.

3. Предложен механизм воздействия ионизирующего излучения малых доз на процесс массопереноса водорода в различных конструкционных материалах, заключающийся в передаче энергии излучения атому водорода и распаде водородных соединений в объеме и на поверхности материала, изменении электронных состояний металла и водорода в металле вследствие изменения фононного спектра, появления

неравновесных возбуждений в виде плазмонов. Показано, что ответственными за наблюдаемые радиационные эффекты являются гамма и вторичное электронное излучение, приводящее к ионизации водорода в объеме металла и к ионизационно-ускоренной диффузии.

4. Построена феноменологическая теория диффузии водорода в металлах при воздействии излучения, основанная на модели одновременной диффузии по двум или более взаимосвязанным каналам, содержащим дефекты различного типа, с обменом между каналами, формально описываемым кинетикой обратимой химической реакции первого порядка. С помощью данной модели были определены: коэффициенты диффузии по каналу, возникшему в результате облучения, энергии активации процесса, количество новых диффузионных путей, количество и характер дефектов структуры твердого тела и энергии их взаимодействия с водородом.

5. Созданы новые методики и комплекс автоматизированных экспериментальных стендов, позволяющих проводить исследования взаимодействия водорода с конструкционными материалами, в том числе в поле ионизирующего излучения с использованием методов водородопроницаемости, термостимулированного газовыделения в режиме линейного нагрева, оже-электронной спектроскопии для контроля элементного состава поверхности.

Практическая иепность работы заключается в:

1. Прогнозировании эксплутационных характеристик конструкционных материалов с точки зрения степени риска при работе ядерных и термоядерных энергетических установок в условиях одновременного воздействия водородной среды, температуры и излучения для создания идеологии выбора и разработки новых материалов;

2. Создании методов и экспериментальной базы, позволяющих определять параметры взаимодействия водорода с конструкционными материалами в процессе радиационного воздействия с учетом изменения элементного состава поверхности и реальной структуры материала;

3. Возможности применения результатов работы для построения теоретических моделей и практических расчетов, необходимых при выборе и прогнозировании поведения конструкционных материалов, работающих в условиях одновременного воздействия водородосодержащих сред и ионизирующего излучения, например, для систем обеспечения тритиевой

безопасности экспериментального тритиевого контура, моделирующего топливный цикл реактора ИТЭР.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Установленные закономерности процесса переноса и накопления изотопов водорода в конструкционных материалах в поле ионизирующего излучения, заключающиеся в неаддитивности эффектов одновременного и последовательного воздействия излучения, температуры и водорода на характеристики массопереноса и накопления водорода в конструкционных материалах, необратимости наблюдаемых процессов, появлении новых соединений и состояний, существовании эффекта скорости набора дозы и появлении под влиянием облучения новых диффузионных каналов.

2. Обнаруженные особенности массопереноса и накопления изотопов водорода в твердых телах различного кристаллического и электронного строения в процессе воздействия излучения малых доз, в том числе: увеличение эффекта воздействия ионизирующего излучения на вддородолроницаемость армко-железа и нержавеющей стали с увеличением интенсивности излучения, входного давления водорода и уменьшением температуры проведения процесса; проявлении эффекта малых доз в увеличении каталитической активности поверхности, распаде водородных соединений, которые приводят к увеличению накопления водорода в облученных образцах графита и бериллия, связанному с захватом и высвобождением водорода из дефектов в приповерхностной области. Связь между величиной эффекта радиационного активирования процессов массопереноса и накопления водорода с температурой насыщения, предысторией образца, энергией и интенсивностью ионизирующего излучения. Обнаруженный блистеринг окисной пленки на поверхности бериллия в результате одновременного воздействия молекулярного водорода, температуры и реакторного облучения.

3. Механизм воздействия излучения малых доз, основанный на ионизационно-ускореиной диффузии водорода в различных средах, связанной с изменением электронных состояний материала и водорода в материале, появлением неравновесных возбуждений в виде плазмонов, передачей энергии излучения атому водорода и распадом водородных комплексов в объеме и на поверхности материала.

4. Феноменологические модели диффузии водорода в исследуемых

материалах в поле ионизирующего излучения с учетом реальной структуры материала, равновесных и неравновесных дефектов, примесей, состояния поверхности, включая наличие окисной пленки, предполагающие массоперенос водорода по нескольких каналам, между которыми существует обмен атомами диффузанта, формально описываемый кинетикой обратимой химической реакции первого порядка. Полученные температурные зависимости коэффициентов диффузии водорода, в том числе по каналу, возникшему под действием облучения, и соответствующие энергии активации процессов; рассчитанное число новых диффузионных путей; количество и энергетические характеристики дефектов; спектр энергий активаций дегазации.

5. Комплекс методов, экспериментальных устройств и стендов, а также пакет прикладных программ для обработки результатов экспериментов, численного моделирования диффузионных процессов и выбора феноменологических моделей водородопронинаемости чистых металлов и сталей в процессе воздействия ионизирующего излучения, в том числе с контролем изменения элементного состава поверхности и определения характеристик накопления и выделения водорода из облученных при различных условиях образцов бериллия и графита, которые могут быть применены для создания идеологии выбора и прогнозирования эксплуатационных характеристик конструкционных материалов.

Личный вклад автора. В диссертации обобщены результаты исследований, выполненных в 1984-1997 гг. непосредственно автором совместно с работающими под руководством автора аспирантами. Автору принадлежит выбор направления исследований, постановка задач, непосредственное участие в разработке методик и создании установок, постановке экспериментов, анализ и обобщение полученных результатов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на всесоюзных симпозиумах по макроскопической кинетике и химической газодинамике, г. Черноголовка, 1954 г. и по теоретической и прикладной радиационной химии, г. Обнинск, 1984 г.; всесоюзном совещании «Водородопроницаемость металлов с защитными покрытиями», г. Калининград, 1984 г.; всесоюзном совещании «Воздействие ионизирующего излучения и света на гетерогенные системы», г. Кемерово, 1986 гг.; 4-ом всесоюзном совещании по радиационным дефектам в метал-

лах, г. Алма-Ата, 1986 г.; всесоюзных конференциях ло эмиссионной электронике, г. Клев, 1987 г, г. Ленинград, 1990 г.; всесоюзной конференции «Методы определения и исследования газов в металлах», г. Москва, 1988 г.; 10-ом всесоюзном совещании по кинетике и механизму химических реакций в твердом теле, г. Черноголовка, 1989 г.; 4-ой всесоюзной школе по водородной энергетике, г. Свердловск, 1989 г.; 4-ой международно» конференции по исследованию и разработке конструкционных материалов для реакторов термоядерного синтеза, г. Дубна, 1990 г.; на всесоюзном совещании «Взаимодействие заряженных частиц с поверхностью», г. Звенигород, 1991; международной конференции «Ядерная энергетика в космосе. Ядерные ракетные двигатели.», г. Семипалатинск-21, 1992 г., Материалы, топливо.», г. Подольск, 1993 г.; международной конференции «Ядерная энергетика в Республике Казахстан.», г. Семипалатинск - 21, 1993 г.; 18- ом международном симпозиуме по технологии ядерного синтеза, г. Карлсруэ (Германия), 1994 г.; 7-ом международном симпозиуме «Космическая ядерная энергия и двигатели», г. Альбукерк (США), 1994 г.; материалах научно-практической конференции «20 лет энергетического пуска реактора ИВГ.1М», Семипалатинск-21, 1995 г.; 7-ой и 8-ой международных конференциях по материалам для реакторов синтеза, Обнинск, 1995 г., Сендай (Япония), 1997 г.; международной конференции по тритиевым технологиям для реакторов синтеза и применению изотопов, Бельгирато, (Италия), 1995 г.; 19-ом международном симпозиуме по технологиям синтеза, Лиссабон, Португалия, 1996 г.; 16- ой международной конференции по энергии синтеза, Монреаль, Канада, 1996 г.; международной конференции «Ядерная энергетика в Республике Казахстан. Перспективы развития», Актау, 1996 г.; 6 -ой всероссийской конференции «Инженерные проблемы термоядерных реакторов», Санкт-Петербург, Россия, 1997 г., опубликованы в тезисах и трудах этих конференций и симпозиумов, статьях, двух авторских свидетельствах и двух аналитических обзорах (1989, 1990 гг.), вышедших отдельными изданиями.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы з 41 научной работе, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитируемой литературы. Она содержит 272 страницы, втом числе 232 страницы машинописного текста, 71 рисунок, 26 таблиц и список литературы из 227 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении приведено обоснование актуальности и практической ценности выбранного направления исследований. Сформулирована цель работы, ее новизна и задачи исследований. Изложены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена феноменологическому описанию процесса проникновения водорода в металлы и сплавы, рассмотрены диффузионные модели, включающие в себя взаимодействие водорода с учетом физико-химических процессов на поверхности и взаимодействия с дефектами структуры металла. Изложены теоретические основы методов водородопроницаемости и термостимулированного газовыделения в режиме линейного нагрева, используемых для определения параметров взаимодействия водорода с металлами, их преимущества по сравнению с другими известными методами, дается обоснование использования метода оже-электрониой спектроскопии при изучения взаимодействия водорода с материалами.

Приводится анализ современного состояния проблемы изучения взаимодействия водорода с материалами в процессе воздействия ионизирующего излучения. Особое внимание уделено аппаратурным и методическим особенностям проведения экспериментов в поле излучения, анализу экспериментальных данных, полученных различными авторами, касающихся кинетики проникновения, накопления и выделения водорода в облученных образцах конструкционных материалов. Обсуждается влияние примесей на поверхности и в объеме, а также дефектов структуры материала, температуры, давления и различных типов радиационных воздействий на параметры взаимодействия водорода с материалами. Эффект влияния излучения на параметры диффузии изотопов водорода наблюдается практически для всех материалов, по в то же время не установлены его температурные границы проявления, дозовые зависимости, роль реальной структуры, зависимость от вида ионизирующего излучения.

Проведенный критический анализ литературы показал, что имеющихся в настоящее время экспериментальных данных недостаточно, чтобы выявить механизм радиационного воздействия на процесс проникновения водорода и предсказать поведение материалов в водородосодержащих средах в присутствии излучения. Моделирование не ¡¡тронных повреждений ионной бомбардировкой часто неправомерно, т.к.

нейтронные повреждения наблюдаются по всему объему материала, а ионное облучение проявляется только в небольшой приповерхностной области. Все это предопределяет необходимость дальнейших исследований в области водородопроницаемости при воздействии реакторного излучения.

Обзор литературных данных по изучению взаимодействия водорода с графитом и бериллием показал, что большинство экспериментальных работ проведено на необлученных или предварительно облученных образцах при насыщении из молекулярной фазы или при ионной имплантации. Использование предварительно облученных образцов имеет ряд недостатков, связанных с тем, что облучение проводилось при низких температурах, не характерных для реактора синтеза и, как правило, при низких интенсивностях потока. Нет данных по влиянию интенсивности потока и спектра излучения на параметры накопления и удержания изотопов водорода в бериллии и графите, что позволило бы оценить погрешности моделирования условий облучения реакторов синтеза в реакторах деления, имеющих существенно отличный спектр. Наиболее существенным недостатком имеющихся экспериментов является отсутствие данных по одновременному воздействию облучения и водорода, которое может привести к совершенно другим оценкам характеристик накопления и удержания, чем при последовательном воздействии этих факторов.

В связи с этим задача работы заключается в выявлении общих закономерностей и построении феноменологических моделей диффузии водорода в процессе одновременного воздействия температурных и радиационных полей и определении на основе данных моделей основных параметров взаимодействия водорода с материалами: констант диффузии, растворимости, проницаемости, химических реакций взаимодействия водорода с поверхностью и ловушками в объеме металла, а также энергий активаций соответствующих процессов, проведении расчета спектра энергий активаций газовыделения.

Первая глава включает в себя сведения, приведенные в двух аналитических обзорах, написанных при непосредственном участии автора.

Вторая глава содержит описание автоматизированных экспериментальных стендов и устройств для изучения взаимодействия водорода с конструкционными материалами в процессе воздействия излучения методами водородопроницаемости, термостимулированного газовыделения в режиме линейного нагрева и оже-электронной

спектроскопии поверхности. Описаны методики измерений параметров взаимодействия водорода, методика насыщения образцов водородом в процессе реакторного облучения, теплофизические и нейтронно-физические расчеты параметров эксперимента, методика облучения. Приведено обоснование выбора исследуемых материалов и их основные характеристики.

В качестве источников облучения использовались источник 57Со (Ет= 14.4 кэВ и 122 кэВ), ядерные реакторы ИВГ.1М и РА Института Атомной Энергии Национального Ядерного Центра. Характеристики источников облучения приведены в Таблице 1.

Определение диффузионных параметров водорода в железе и нержавеющей стали проводили с помощью комплекса экспериментальных установок (ЭУ), позволяющих проводить измерения в поле излучения (реакторные эксперименты и эксперименты с использованием источника 57Со). а также контрольные эксперименты. Использовали метод установления стационарного потока с масс-спектрометрической регистрацией количества прошедшего сквозь образец газа. Система измерения выполнена на базе омегатронного масс- спектрометра ИГ1ДО-2, что даст возможность определять парциальные давления остаточных газов с точностью ±10%, а также снимать кинетические кривые проникновения водорода сквозь образцы во время диффузионных экспериментов.

Для исследования водородопроницаемости бериллиевых образцов с контролем изменения элементного состава поверхности методом оже-электронной спектроскопии был создан специализированный экспериментальный стенд. В качестве энергоанализатора оже-спектрометра использовали эиергоанализатор типа цилиндрического зеркала с разрешением по энергии 0,2%, светосилой 2% от 4и, наклон осевой траектории пучка электронов к оси симметрии анализатора 42,3°.

Все ЭУ для исследования водородопроницаемости состоят из входной и выходной камер, разделенных мембраной из исследуемого материала и включают в себя следующие основные блоки: систему откачки, систему очистки и напуска газов, измерительную систему. Системы откачки позволяют получать остаточное давление 1-Ю"7 Па как во входной, так и в выходной камерах ЭУ. Очистка водорода осуществлялась с помощью пачладий-серебряного фильтра.

Таблица 1. Основные характеристики используемых источников излучения.

Облучательные характеристики ИВГ.1М РА

1.Тепловая мощность, МВт 6.0 0.5

2. Поток нейтронов, н/см2с быстрых (0.1 МэВ < Е < 15 МэВ) тепловых (Е < 0.67 эВ) 2.2ХЮ13 1.0Х10)4 2.8х 10'3 2.0х 1012

З.Поток у-квантов, квант/см2с 7.3х1013 6.1х10!2 б.ОхЮ6

4.Время проведения одного эксперимента, ч 6 50 4

5.Нейтронный флюенс за один эксперимент, н/см2 быстрых (0.1 МэВ < Е < 15 МэВ) тепловых (Е < 0.67 эВ) 4.8х1017 2.2Х1018 5.0х1018 3.6х Ю17 -

6.Флюенс у-квантов за один эксперимент, квант/см2 1.6х1018 1.1х1018 8.6хЮ10

Нагрев образца в экспериментах осуществлялся внешним омическим нагревателем, что позволяло проводить исследование водородо-проницаемости материалов в интервале температур от 473К до 1273К. Система автоматизации обеспечивала контроль и поддержание температуры с точностью ±0,5К. Интервал входных давлений водорода - от 2 102Па до 106Па при остаточном давлении в измерительном тракте 10~4...10 6 Па при внутриканальных экспериментах и 10~7Па - во внереакторных экспериментах.

Для проведения экспериментов по насыщению образцов водородом в реакторе было разработано и изготовлено специальное внутриканальное устройство, представляющее собой набор контейнеров, соединенных между собой трубопроводами и снабженных вентилями для вакуумирования, напуска и стравливания газов. Получение требуемых температур эксперимента осуществляли за счет радиационного разогрева контейнеров, имеющих стенки различной толщины (для облучения в реакторе ИВГ.1М), при облучении в реакторе РА для достижения такой же температуры при меньших потоках нейтронов были использованы топливные элементы с большим энерговыделением. Облучение образцов проводили в реакторах ИВГ.1М и РА ИАЭ НЯЦ РК при температурах 920К и 1150К. в атмосфере водорода (Р= 105Па), и азота (Р= 105Па). Условия облучения приведены в Таблице 1. Были использованы тазы технической чистоты, осушенные пропусканием через тонкостенный спиральный конденсор, охлаждаемый жидким азотом. Проведенные нейтронно-физические исследования

позволили оценить спектральный состав нейтронного потока и его распределение по объему канала.

Для проведения экспериментов по исследованию термостимули-рованного выделения различных газов в режиме линейного нагрева и определения параметров их взаимодействия с материалами была создана специальная экспериментальная установка, позволяющая проводить исследования в интервале температур от 300 до 1800 К. Количество выделившегося газа измеряли с помощью омегатронного масс-спектрометра. Система управления и автоматизации экспериментами позволяла одновременно регистрировать четыре различных газа. Нагрев образца осуществляли прямым пропускан нем тока.

Система автоматизации и регистрации масс-спектров и оже-спектров построена на базе ЭВМ МЕЯЛ-660 и измерительного интерфейса КАМАК.

В третьей главе изложены результаты исследований по влиянию гамма и реакторного излучения на проникновение водорода в железе и стали аустенитного класса и показаны возможные механизмы и модели диффузии водорода в процессе облучения. В результате экспериментов по воздействию низкоэнергетичного у-излучения на процесс проникновения водорода в армко-железе установлено: увеличение коэффициентов диффузии водорода и уменьшение константы растворимости под действием излучения: незначительное увеличение константы проницаемости под облучением. Эффект радиационного воздействия проявляется только в динамике, на предварительно облученных металлах увеличение коэффициентов диффузии не наблюдается. Установлена зависимость величины эффекта от температуры, входного давления, толщины и поглощенной дозы.

Экспериментальные результаты по влиянию низкоэнергетического гамма-излучения на параметры проникновения водорода через армко-жслезо показаны на Рис. 1-3 и в Таблице 2. Фильтр из медной фольги толщиной 0,1 мм был применен для исключения из спектра излучения источника57Со линии с энергией 14,4 кэВ.

Анализ результатов экспериментов с использованием критериальных признаков моделей диффузии позволил провести обработку результатов по изучению диффузии водорода в железе в отсутствии облучения с использованием модели диффузии в дефектной среде (модели Херста-Гауса), предполагающей наличие захвата водорода ловушкой, формально описываемого обратимой химической реакцией первого порядка.

1.00

1.25

2,00

2,25

1,50 1,75

1 000/Т, К'1

Рис.1. Температурные зависимости констант растворимости водорода в армко-железе:

1 - без облучения, 2-е источником 57Со с фильтром (медная фольга толщиной 0.1 мм), 3- источник 57Со, активность А=2х108 Бк.

-8,5

-9,0

сЗ

С

-9,5

л к о 3

-10,0

-10,5

1 1 1 ' ' 1 1 г ■ 1 ■...... О с облучением

А без облучения

-

| 1,1.1.1.

1,0

1,2

1,8

2,0

1,4 1,6

1000/Т, К"1

Рис.2. Зависимостьконстанты проницаемости водорода сквозь армко-железо от температуры: Д- без облучения, о - с облучением.

2,2

1 ООО/Т, К"1

Рис.3. Температурные зависимости эффективного коэффициента диффузии водорода в армко-железе: 1 - без облучения, 2 - с источником 57Со с фильтром, 3-источник 57Со, активность А=2х108Бк.

Таблица 2. Энергии активации процессов взаимодействия водорода с железом при гамма-облучении._________

Процесс Интервал температур, К Энергия активации без облучения, кДж/моль Энергия активации при облучении, кДж/моль Энергия активации с фильтром, кДж/моль

Диффузия 670 - 1420 470 - 670 8.3±0.7 14.4±1.1 8.3Ю.7 3.9Ю.4 8.310.7 8.4Ю.7

Проницаемость 670 - 1420 470 - 670 41.714.2 23.312.3 41.714.2 23.3+2.3 41.714.2 23.212.2

Растворимость 670 - 1420 470 - 670 33.412.9 9.210.8 33.412.9 18.411.7 33.412.9 15.211.3

Обработку результатов экспериментов по водородопроницаемости стали без облучения проводили в рамках модели классическом диффузии.

Использование результатов экспериментов по диффузии водорода в материале позволило провести его дефектоскопию; рассчитать плотность и глубину ловушек, их заселенность при различных температурах, а также геометрические размеры. Показано, что в случае армко-железа захват водорода осуществляется точечными дефектами, так как радиус ловушки

равен 2x10-8 см. Плотность ловушек достаточно велика, в частности при температуре 473 К она равна N2=4.3x1020 ловушек/см3, что соответствует 0,17% объемной доли (по литературным данным ^'2=1021 лов./см3 для железа и стали, а число нормальных состояний водорода в решетке железа для ферритной стали по литературным данным равно Лт= 5.2x1023. Энергия активации взаимодействия водорода с ловушкой Ек = 28.5 кДж/моль, что хорошо согласуется с литературными данными. Глубина ловушки получена равной 20.1 кДж/моль. Число дефектов с ростом температуры практически не изменяется, что свидетельствует об их неравновесной природе. Заселенность ловушек 02 = 3.8х10~2 мала, что подтверждает справедливость допущений об неисчерпаемости ловушек в процессе диффузии и правильность выбора модели Херста-Гауса для описания диффузии водорода в армко-железе.

При изучении водородопроницаемости образцов нержавеющей стали в процессе реакторного облучения (реактор ИВГ.1М) было замечено увеличение эффективных коэффициентов диффузии, констант проницаемости и уменьшение эффективных констант растворимости, т.е. результаты, аналогичные полученным при воздействии у-и'¡лучения на проникновение водорода сквозь железо. Результаты экспериментов представлены на Рис. 4-6 и в Таблице 3.

1_д0(м2/сек)

-8.5

-9.5

-9.0

-10.0 : ***** йря облучения

; СХТХТ) под облучением - I||тпосле облучения

-10.5 с_1_1. I 1 I_1__|_;_I_1_1_I_I_I_1_и

юУг.к-1

1.0

1.1

1.2

1.3

Рис.4. Температурные зависимости коэффициентов диффузии водорода в стали 08Х18Н10Т.

Рис.5. Температурные зависимости констант проницаемости водорода в стали 08Х18Н10Т.

1_дС3(ыоль/м3*Па1''2)

1 *

: § -- *

: О *

.О °

: ***** беа облучения г ООПОО под облучением : ПГППП после облучения О

............. ...... 1 03/Т,К~1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1.0 1.1 1.2 1.3

Рис.6. Температурные зависимости констант растворимости водорода в стали 08Х18Н10Т.

Таблица 3. Параметры взаимодействия водорода со сталью 08Сг18КЧ10Т1

Параметры без облучения при облучении после облучения

Э , м2/с о' ' (4.9-±0.5)х10'6 (1.6-±0.2)х10~7 (1.3-±0.1)х10~6

Е^, кДж/моль 68.6 + 6.9 38.8 + 3.9 57.0 ±5.8

Р , моль-м"'~с' Па~|/2 о' (2.5-±0.3)х10'6 (1.1-+0.1)х10~6 (1.5-±0.2)х10~6

ЕРо, кДж/моль 73.4+7.2 64.1 + 6.5 68.4+6.9

п -3,-, -1/2 С« , моль-м Па 0.52 + 0.06 6.5 ±0.6 1.1 ±0.1

ЕСч, кДж/моль 4.5 ±0.4 25.2±2.6 11.0+1.2

Как видно из Таблицы 3, наблюдается пострадиационный эффект влияния облучения, проявляющийся в том, что значения эффективных коэффициентов диффузии, проницаемости и растворимости не возвращаются в свое исходное значение при обычной термической диффузии.

Для описания диффузии водорода в армко-железе и нержавеющей стали при облучении предложено использовать модель параллельной диффузии по двум взаимосвязанным каналам, в которых содержатся ловушки неограниченной емкости, а обмен между каналами происходит согласно кинетике обратимой химической реакции первого порядка. Система дифференциальных уравнений может быть представлена в общем виде:

гп м ох - - ог

г, , ^ , Г' ЛУ

£•1 'Ох ' ~ 01

I (?М лг

(1)

I оы [01 - - -

где Су и С2-концентрация диффузанта, ¿)/ и - коэффициенты диффузии в 1-ом и 2-ом каналах, соответственно, М и N - концентрации диффузанта в ловушках в 1-ом и 2-ом каналах, соответственно, к] и к2-константы скорости перехода из 1-го канала диффузии во 2-й, и обратно, соответственно, г/ и 5/-константы скорости захвата и выделения атомов диффузанта ловушкой в 1-м канале, г2 и .<¡2 константы скорости захвата и выделения атомов диффузанта ловушкой во 2-м канале.

Численное моделирование процесса диффузии с использованием

конечно-разностных схем для решения систем дифференциальных уравнений и метода многомерной оптимизации Хука-Дживеа для решения обратной задачи, позволило получить коэффициенты диффузии водорода в железе и нержавеющей стали при воздействии облучения {[), )г, (/^ ) и

¿>2об,и представленные в Таблицах 4 и 5.

Таблица 4. Параметры диффузии водорода в армко-железе при облучении

т, °к £}108 (оД-Ш8 Рг. (Й. Ы,-10" м и л.

473 0.628 2.74 0.85 5.67 1.33 0.52 1.08

523 0.853 2.96 0.72 2.57 2.08 0.44 0.79

573 1.120 3.22 0.60 1.50 2.11 0.29 0.41

623 1.56 5.0 0.49 0.96 - - -

673 1.82 5.23 0.37 0.59 - - -

Таблица 5. Параметры диффузии водорода в нержавеющей стали при облучении.

т, К В/нсоол* Ю10 д^ю10 <Р2о бл (<Р2/<Р0о 6Л

773 1.25 7.91 0.65 1.2

823 2.02 9.86 0.52 0.83

873 3.55 13.1 0.39 0.51

923 6.31 17.8 0.25 0.38

973 10.6 22.4

где <р2,, <р2оЫ - количество новых диффузионных путей, возникающих при у-и реакторном облучении, соответственно; - количество новых диффузионных путей, возникающих при у-облучении с использованием медного фильтра толщиной 0.1 мм.

Объяснение радиационно-стимулированной диффузии можно искать только за счет ионизационно-ускоренного механизма переноса водорода в металле. При флюенсе по нейтронам и у-квантам ~1018/см2 усиление диффузии водорода в конструкционных материалах трудно объяснить образованием избыточной концентрации неравновесных дефектов, так как они, вероятно, служат ловушками для водорода и могут только замедлить процесс проникновения. Определенную роль в увеличении скорости миграции атомов водорода, как и в случае воздействия низкоэнергетического у-излучения допороговых энергий, может играть возникновение неравновесной концентрации элементарных возбуждений в объеме металла -фононов и плазмонов. Рассеяние фононов и плазмонов может происходить как на кристаллической решетке, так и на ее дефектах: примеси внедрения, которой является водород, границах зерен и сегрегирующих примесях.

Объяснением пострадиационного эффекта может быть водородостиму-лированная усиленная облучением сегрегация примесей, например фосфора п углерода, на границах зерен, поверхностях пор и дислокациях, приводящая к повышению зернограничнои концентрации водорода и охрупчиванию, диссоциация соединений типа CnHm на границах зерен, структурные и фазовые изменения в поле радиации.

Четвертая глава посвящена изучению параметров накопления, газовыделення и диффузионного массопереноса водорода в насыщенных в процессе облучения образцах графита РГ-Т. Рассмотрены возможные механизмы влияния реакторного излучения данного спектра энергий на процесс выделения водорода из облученных и контрольных образцов.

На спектрах газовыделения образцов, облученных в реакторе ИВГ.1М в водороде при температурах 920К и 1150К, наблюдались три хорошо выраженных водородных пика при температурах около 770К, 1100К, и 1350К. Для образцов, облученных в азоте и контрольных образцов можно наблюдать только два пика выделения водорода при температурах 770К и I100K, что хорошо согласуется с данными работы Захарова А.П. с сотрудниками, где наблюдались пики выделения дейтерия для облученных ионами D+ и необлученных образцов РГ-Т графита. Спектры газовыделения образцов РГ-Т графита показаны на Рис. 7 и 8. Скорость газовыделения пересчитана на единицу площади поверхности образца. Концентрации водорода для образцов, прошедших различную предварительную обработку, приведены в Таблице 6. Концентрации рассчитаны по термодесорбшюнным кривым в интервале температур 300...1700 К в пересчете на весь объем образца. По спектрам газовыделения хорошо видно, что удержание водорода возрастает с ростом температуры насыщения. Выделение водорода из РГТ графита, облученного в водороде при 1150 К в 2,2 раза больше, а при Т=920 К в 1,7 раза больше, чем для контрольных необлученных образцов. Результаты измерений хорошо согласуются с данными Х.Атсуми, где содержание водорода для необлученных образцов равнялось 20 аррт, а для облученных при 875 К и при 1123 К образцов графита POCO N3M и Н455 удержание водорода составило около 650 аррт при уровне повреждений 0,04 dpa. Для нашего случая максимальное удержание водорода было равно 94 аррт при уровне повреждений 0,0025 dpa.

Температура, К

Рис.7. Типичные термодесорбционные спектры газовыделения водорода из образцов графита РГ-Т, подвергнутых различным видам обработки при температуре 920К.

Температура, К

Рис.8. Типичные термодесорбционные спектры газовыделения водорода из образцов графита РГ-Т, подвергнутых различным видам обработки при температуре П50К.

Было обнаружено, что газовыделение из образцов, предварительно облученных в азоте при 1150К а затем насыщенных водородом при тон же самой температуре было в 1,7 раза меньше, чем для образцов, облученных в атмосфере водорода при 1150К. Методом рентгеноспектрального микроанализа показано, что воздействие излучения при повышенных температурах приводит к существенному изменению морфологии поверхности и структурно-фазовой модификации приповерхностного слоя.

Таблица 6. Содержание водорода в РГ-Т графите, подвергшемся различным видам обработки при температурах 920 и 1150 К.._

Тип обработки образца Содержание водорода, аррш

920 К 1150 К

1. Образец, облученный в водороде 71.2 94.3

2. Образец, облученный в азоте 34.8 33.1

3. Необлученный образец, насыщенный в водороде 40.3 42.7

4. Облученный в азоте образец, насыщенный в водороде - 54.6

В частности, воздействие реакторного облучения привело к измельчению структуры зерна поверхности (она стала более мелкодисперсной) и увеличению содержания карбидной фазы Т1С. Так как известно, что хемосорбция водорода проходит по активным местам, которые представляют собой атомы углерода, находящиеся на периферии кристаллической решетки, то можно ожидать, что при облучении число этих активных мест будет возрастать. Предполагается, что облучение влияет на увеличение скорости захвата и высвобождения водорода из ловушек в приповерхностной области и на реакции взаимодействия между водородом и графитом. Хемосорбция при облучении происходит более активно в связи с возрастанием удельной поверхности графита.

Анализ полученных спектров термодесорбции из облученных и контрольных образцов графита и сопоставление их с литературными данными показали, что процесс газовыделения связан с десорбцией водорода с оборванных связей на поверхности, формально описываемой кинетикой обратимой химической реакции второго порядка, а также диффузией по порам, границам зерен или из объема зерна.

В соответствии с методиками обработки термодесорбиионных спектров, предложенных А.Писаревым и Г.Картером, был определен спектр энергий активации дегазации водорода из облученных и контрольных

образцов графита. А.Писаревьш показано, что максимум пика газовыделения можно записать в виде универсального соотношения:

А.Егрт.~2 = ехр(-£; I кТ.) , (2)

где р - скорость нагрева, К/с; к = 8,62хЮ~5 эВ/К; Т* - температура характеристической точки на пике газовыделения; No - начальная концентрация частиц, см"2; Ат - параметр, зависящий от механизма газовыделения, например, для десорбционного процесса первого порядка Ат =1/(v¡k), для десорбционного процесса второго порядка Ат = 1/(v2kNq), где v, =1013 -1015 сек"1, a v2 = 10"2 -10° сек"1.

Метод Г.Картера заключается в следующем: форма экспериментальной кривой газовыделения может быть представлена в общем виде как сумма потоков Jj(T)meop с коэффициентами P¡, с которыми они входят в данную экспериментальную кривую. Ось температур разбивается на л экспериментальных точек. Затем составляется система из п линейных уравнений:

j(Tj)^n = PjJ(E}Tj) + P?J(Е/Г)) +...+ PnJ(E,„ T¡) j(T^n = p^Etf'i) + P¿HE2T2) +... + PnJ(En, Tz) (3)

j(T,^cn = p^E^J + P2J(E2T,J -i- PnJ(En, Trj , где .!(E¡, 7],j - теоретические кривые, нормированные на высоту пика; P¡ -

соответствующие вклады данных функций в экспериментальную

зависимость J(T¡)3KC". Данная система может быть решена матричным

методом. Далее проведено численное моделирование с использованием

метода подгонки теоретической кривой к экспериментальной. Результаты

расчетов л моделирования представлены на Рис. 9 и 10 и в Таблице 7.

Таблица 7. Энергии активации газовыделения, полученные математической обработкой экспериментальных кривых различными методами для облученного при Т=1150 К и контрольного образцов РГ-Т графита._

№ пика Эне эгии активации, эВ/атом

метод А.Писарева метод Г.Картера числ. моделирование

контр, образец облуч. образец контр, образец облуч. образец облуч. образец

1 0.82

2 1.23 1.25 1.1

3 1.4 1.45 1.5 1.5 1.4

4 1.87 1.8 1.6

5 2.0 2.17 2.01 2.15 2.2

6 2.55 2.5

Температура, К

Рис.9. Пример подгонки расчетной кривой, соответствующей десорбционнон модели газовыделения к экспериментальной кривой газовыделения водорода из образца графита.

1.00 -,--

0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 2.75 3.00 Энергия активации, эВ/атом Рис.10. Спектр энергий активаций газовыделения из образца графита РГ-Т, облученного в водороде при температуре 1150 К.

Мы считаем, что механизмом термостимулнрованного выделения водорода для пиков с энергией 1.4 и 2.2 эВ/атом является десорбция с оборванных углеродных связей на поверхности, так как эти значения находятся в хорошем согласии в пределах ошибки эксперимента со значениями, приведенными в работах А.Захарова и др. для десорбции с оборванных связей типа «мономер» и «димер», соответственно. «Димер» представляет собой два атома водорода, сорбированных в соседних позициях

на краю графитовой сетки, а «мономер» - одиночный атом водорода. Реакторное облучение может стимулировать каталитическую активность поверхности графита с расположенными на ней оборванными углеродными связями, результатом чего будут увеличение числа мест адсорбции и, вероятно, диссоциация «димеров» с их превращением в «мономеры». Далее, может иметь место диффузия водорода из «мономера» в зерно графита. Последний третий пик можно приписать диффузии из зерна графита, имеющего сферическую симметрию и размер примерно 5 микрон. Тогда коэффициент диффузии водорода из зерна графита может быть представлен в виде: О = 1.8x10-4 ехр (-2.5 эВ/кТ) м2/сек.

Вычисленные значения находятся в хорошем согласии с приведенными значениями коэффициентов диффузии в работе Х.Атсуми. С нашей точки зрения, образование «мономеров» при облучении графита в водороде более вероятно, чем образование других С-Н связей. Полученные дополнительно аяерпш активации соответствуют, вероятно, распаду водородных комплексов типа \'ПНП1.

В пятой главе приводятся результаты изучения взаимодействия изотопов водорода с бериллием марки ТВ-56 в процессе облучения в зависимости ог ориентации зерен, температуры насыщения и параметров облучения в реакторах с различным спектром энергий, полученные методом термодесорбционной спектроскопии в режиме линейного нагрева. Данные экспериментов сравнены с экспериментальными данными, полученными для этого же материала без облучения, с результатами экспериментов по исследованию водородопроницаемости и данными электронной микроскопии. Предложены возможные механизмы влияния реакторного излучения на накопление и выделение изотопов водорода из бериллия.

Зависимость удержания водорода от ориентации зерен

Исследования, проведенные на исходных образцах бериллия без какой либо предварительной обработки, показали, что выделение водорода из образцов, вырезанных вдоль оси выдавливания, больше, чем для образцов, вырезанных поперек (Рис. 11). Это особенно заметно для низкотемпературного интервала (ТООООК), что выражается в большем газовыделении для образцов, вырезанных вдоль, по сравнению с образцами, вырезанными поперек. Ту же картину можно наблюдать и для образцов, облученных на реакторе РА и ИВГ.1М.

Для учета влияния поверхностного слоя, были проведены эксперименты с исходными контрольными образцами бериллия, протравленными в 20% серной кислоте. Рис. 11 показывает, что выделение водорода из протравленных образцов меньше, чем для исходных. Разница в газовыделении присутствует в низкотемпературной области термодесорбционного спектра, (Т<1000К), ясно показывая влияние приповерхностного слоя.

Температура, К

Рис.11. Типичные спектры газовыделения водорода из образцов бериллия ТВ-56 0 3 мм, вырезанных вдоль и поперек оси прессования и травленого до 0 2.6 мм, р=20 К/мин.

Зависимост ь удержания водорода от температуры насыщения

Проведенные эксперименты не показали отличия в кинетике выделения водорода из образцов, насыщенных водородом в процессе облучения в реакторе ИВГ.1М и РА при 920К и насыщенных водородом после облучения по сравнению с контрольными, (см. Рис.12).

Все полученные спектры, как и в предыдущем случае, имеют три области максимума газовыделения при температурах около 500, 800 и 1100К. Для образцов, облученных при температуре Т=1150К в водороде, максимумы имеют большую интенсивность по сравнению с контрольными необдученными и облученными, а затем насыщенными в водороде

Температура, К

Рис. 12. Типичные спектры газовыделения водорода из «поперечных» образцов бериллия ТВ-56, подвергнутых различной обработке при Т=920К, (3=20 К/мин.

Рис.13. Типичные спектры газовыделения водорода из «поперечных» образцов бериллия ТВ-56, подвергнутых различной обработке при Т=1150К, р=20 К/мин.

образцами, причем низкотемпературный максимум сильно изменяется в интенсивности и раздваивается. Суммарное газовыделения в этом температурном интервале увеличивается приблизительно в два раза. Экспериментальные результаты по газовыделению водорода из образцов бериллия, подвергнутых различному виду насыщения в водороде при температуре 1150 К показаны на Рис.13. Интересным является тот факт, что образцы, насыщенные при этой температуре без облучения, в том числе образцы, предварительно облученные, практически не насыщаются, что хорошо видно по данным Рис. 12 и 13, а также из Таблицы 8.

Зависимость удержания водорода от параметров облучения.

Для установления корреляции между параметрами облучения, такими как спектр излучения (соотношение между быстрыми и тепловыми нейтронами) и его интенсивность (потоки нейтронов и гамма-квантов по группам) были проведены эксперименты на реакторе РА, спектр излучения которого значительно отличается от спектра реактора ИВГ.1М. Облучение в реакторе РА проводилось до общего флюенеа в два раза большего, чем общий флюенс, полученный образцами бериллия в реакторе ИВГ. IМ. Флюенс по быстрым нейтронам в реакторе РА превышал на порядок флюенс, полученный образцами бериллия в реакторе ИВГ. 1М, а флюенс по тепловым нейтронам был в реакторе РА, наоборот, на порядок меньше, чем в реакторе ИВГ.1М.

Результаты экспериментов, приведенные на Рис. 12-15 и Таблицах 8 и 9, показывают сильное отличие результатов экспериментов для образцов, насыщенных изотопами водорода з разных реакторах. Накопление дейтерия в образцах из реактора РА приблизительно в 10 раз меньше для образцов, вырезанных поперек, чем для подобных же образцов из реактора ИВГ. 1М. У облученных образцов, вырезанных вдоль оси выдавливания, газовыделение несколько больше, чем для образцов, вырезанных поперек, как и у исходных необлученных и ненасыщенных образцов.

0.10

1200

Температура, К

Рис.14. Типичные спектры газовыделения из контрольных «поперечных» образцов бериллия марки ТВ-56, насыщенных в атмосфере дейтерия в течение 50 часов при Т=1150К, р=20К/мин.

0.10

Температура, К

1200

Рис.15. Типичные спектры газовыделения из «поперечных» образцов бериллия марки ТВ-56, облученных в реакторе РА при Т=1150К в течение 50 часов в атмосфере дейтерия, р=20К/мин.

Таблица 8. Выделившееся количество водорода, рассчитанное по спектрам газовыделения (образцы, облученные на реакторе ИВГ.1М).__

Тип обработки образца бериллия Выделившееся количество, молекул/см2

Исходный «поперечный» образец 1.20х1017

Образец, облученный з азоте, Т=920К. 1.05х1017

Образец, облученный в водороде, Т=920К 1.14x1017

Образец, облученный в водороде, Т=1150К 2.49х1017

Образец, насыщенный в водороде, Т=П50К, после облучения в азоте 1.12х1017

Таблица 9. Выделившееся количество Ог и ОН, рассчитанное по спектрам газовыделения (образны, облученные на реакторе РА)._

Тип обработки образца бериллия Выделившееся количество, молекул/см2

Образцы, вырезанные поперек оси выдавливания

облученные, D2 DH О.МхЮ17 ОЛЗхЮ17

необлученные Dt DH 0.12х1017 ОЛЗхЮ17

Образцы, вырезанные вдоль оси выдавливания

облученные, D2 DH 0.23х1017 0.17х1017

необлученные D? DH 0.22х1017 0.19х1017

Микроструктура облученных и контрольных образцов бериллия.

Исследование микроструктуры облученных при различных условиях и

исходных образцов бериллия марки ТВ-56 проводили двумя методами: на электронно-зондовом микроанализаторе JCXA 733 (Superprobe 733), используемый метод анализа поверхности - рентгеноспектральный микроанализ и на просвечивающем электронном микроскопе JEOL 3000 F-ЕТЕМ и Phillips СМ-30 в национ&чьнои лаборатории Лос-Аламоса, США. Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:

• поверхностный слой окиси бериллия для облученных образцов становится мелкодисперсным, более рыхлым;

• при облучении в среде водорода плотность дислокаций и количество зернограничных интерметаллидов в околоповерхностной области уменьшаются;

• исследования поверхности сколов образцов не показали различий в структуре, что не противоречит предположению о том, что

приповерхностный слой ответственен за насыщением образцов водородом;

• наибольшее развитие поверхности наблюдается для образцов, облученных в атмосфере водорода при большей интенсивности нейтронного потока, т.е. на реакторе ИВГ.1М. Для приповерхностного слоя этих образцов характерно также сильное измельчение включений окиси бериллия на границах зерен.

Исследование водородопроннцаемости бериллия с контролем изменения элементного состава поверхности

Перед измерениями водородопроннцаемости было проведено

исследование изменения элементного состава поверхности бериллиевого образца в интервале температур 300...1273К, которое показало наличие на поверхности образца пленки окиси бериллия. Применение метода водородопроннцаемости в сочетании с методом высокотемпературного отжига не привело к изменениям в элементном составе поверхности и удалению этой пленки с поверхности бериллиевого образца. Изменение элементного состава поверхности бериллиевого образца в зависимости от температуры и способа обработки в водороде приведено на Рис. 16.

tí U

I

1 , _„ ,.. , , , i ~ . - \ ! 1 >■ у - ■ ' 1 "—...... т=зоо к T-ÍS73 К

/ sí Л"""v ¡ г '!..... V T=t02J К +Н_,

. /i Í 1 С(270эВ) - А -- y-v- 0(502 зВ)

Ве(95 эВ) i i . i . i i

О 100 200 300 400 500 600 Е, эВ

Рис. 16. Изменение элементного состава поверхности бериллиевого образца в зависимости от температуры и способа обработки в водороде; 1 - Оже-спектр исходной поверхности при комнатной температуре, 2 - Оже-спектр поверхности при нагреве до Т=873К, 3 - Ожс-спектр поверхности в процессе проникновения водорода сквозь образец при Т= 1023 К.

В результате экспериментов по проницаемости, используя классическую методику расчета, описанную в главе 1, были определены эффективные константы проницаемости и коэффициенты диффузии водорода в многослойной системе, т.е. в бериллии, содержащем оксидную пленку на поверхности. Коэффициенты диффузии в бериллии были затем рассчитаны по методу, предложенному К.Яигом, где эффективный коэффициент диффузии для многослойной системы выражается в виде: 1

О

1 ггУ 1

где Пэфф - эффективный коэффициент диффузии в многослойной системе; 1)мет - эффективный коэффициент диффузии в металле; Оокс -эффективный коэффициент диффузии в оксидном слое; 6- толщина оксидного слоя; / - толщина металла; г (—8+1) - полная толщина мембраны. Пользуясь данными, опубликованными для коэффициентов диффузии трития в мо некристаллическом ВеО (пересчитанные для дейтерия), значением г=2-10~4 м и оценочной толщиной слоя оксида бериллия 3/2 = 5 нм, были рассчитаны коэффициенты диффузии дейтерия в бериллии: Результаты экспериментов и расчетов представлены в Таблице 10.

Таблица 10. Коэффициенты диффузии дейтерия в бериллии и ВеО.

Многослойная система (эксперимент) Оксид (ВеО), (лит.даиные) Металл (Ве) (расчетные)

О0, м2/сек Е0, кДж/моль йо, м2/сек Ев, кДж/моль Во, м2/сек Ев, кДж/моль

7.1х10-9 63.5 1.1х10-6 220 9.0х10"12 14.9

Данные результаты довольно хорошо согласуются с коэффициентами диффузии для трития в бериллии, измеренными П.Джонсоном и Р.Гибсоном.

Используя методики расчета термодесорбционных спектров для образцов графита, приведенные в главе 4, а также численное моделирование процесса газовыделения, включающее в себя газовыделение из многослойной системы, был рассчитан спектр энергий активаций термостимулированного выделения водорода из облученных и контрольных образцов бериллия ТВ-56. Результаты расчетов приведены на Рис.17 и 18 и в Таблице 11.

Таблица 11. Энергии активации выделения водорода из бериллиевых

образцов, полученные математической обработкой различными методами.

№ пика Энергии активации, э 5/атом

метод А.Писарева метод Г. Картера численное моделирование

контр, образец облуч. образец контр, образец облуч. образец контр, образец облуч. образец

1 - 0.70 - 0.70 - 0.70

2 0.83 0.85 0.84 0.85 0.81 0.85

3 1.13 1.12 1.12 1.13 1.13 1.13

4 1.28 1.31 1.25 1.31 1.29 1.30

5 1.42 1.49 1.47 1.50 1.45 1.40

6 1.78 1.81 1.80 1.75 1.80 1.77

Анализ термодесорбционных спектров показал, что механизмом, ответственным за появление первых двух пиков, может являться образование ВеО, Ве(Н) и Ве(ОНпод воздействием облучения в среде водорода в несколько стадий: образование оксида бериллия под воздействием облучения - соединение бериллия с кислородом из объема металла - взаимодействие бериллия с кислородом и водородом из молекулярной фазы на поверхности образца. Этот процесс может привести к росту оксидной пленки, обогащенной гидроксидом бериллия.

Анализ литературных данных показывает, что возникновение термодесорбционных пиков можно приписать образованию и последующему распаду химических соединений, таких как аморфный гидрид бериллия, из-за близости температуры его распада (400К) и температуры максимума первого пика на термодесорбционных кривых (440К), а также гидроксида бериллия, по данным работы Г.Лонгхерста, из-за подобия энергии активации - 0.8 эВ энергии активации, рассчитанной в нашем эксперименте. Широкий пик в области температур порядка 8001С, где газовыделение происходит по нескольким механизмам, связан с влиянием границ зерен, из-за различия его интенсивности у образцов бериллия, вырезанных с различной ориентацией относительно оси выдавливания.

Результаты численного моделирования показали, что термоде-сорбционный пик при 1100К может быть объяснен диффузией из образца бериллия, содержащего окисную пленку на поверхности. Температурные зависимости коэффициентов диффузии водорода в бериллии и оксиде бериллия, полученные моделированием записываются следующим образом: ВБс = Зх1(Г7 ехр ( -28 кДж/моль)/ЯТ), (м2/сек), ВвеО = ехр ( -192 кДж/моль/ЯТ), (м2/сек).

1.50

0.50

2.00

0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 Энергия активации, эВ/атом Рис.17. Спектр энергий активации, рассчитанный для образца, облученного в водороде при температуре 1150 К.

2О\10ыг

1 5\!0

§ 1.0х10ь

л 5 (XI0'

о О

эксперимент ■ теор. кривая

1200

200 .100 600 800 Температура, К

Рис.18. Пример моделирования экспериментальной кривой газовыделения водорода из образца бериллия, облученного в водороде в реакторе ИВГ.1 М.

В шестой главе проведен анализ экспериментальных данных о совокупности параметров, описывающих взаимодействие водорода с материалами в процессе воздействия различных видов излучения, установлены закономерности и механизмы диффузии водорода в поле излучения. Рассмотрен вопрос об использовании полученных результатов и анализ возможности реакторных экспериментов для проведения имитационных испытаний энергонапряженных узлов реактора ИТЭР.

Расчет количества смещений на атом при облучении в реакторах

ИВГ.1М и РА, например, для бериллия, показывает очень малые величины: 4x10"4 dpa (реактор ИВГ.1М) и Зх10~3 dpa (реактор РА). Это может служить доказательством того, что образованные нейтронами дефекты в материале не могут быть ответственны за увеличение выделения или диффузии водорода при реакторном облучении, т.к. количество дефектов, образовавшихся в реакторе РА, на порядок выше, чем в реакторе ИВГ.1М, а радиационно-стимулированного выделения водорода из облученных в реакторе РА образцов бериллия не было обнаружено. Следовательно, активация процессов диффузии и выделения водорода в исследуемых конструкционных материалах не может быть объяснена процессами дефектообразования при набранных флюенсах облучения(1018 н/см2). В данном случае, более правильным было бы ожидать уменьшения подвижности водорода за счет удержания его в дефектах, вызванных нейтронным облучением. Поэтому объяснение радиационной активации процессов диффузии и газовыделения можно искать только во влиянии у-излучения. Как показали наши расчеты, 90-95% энерговыделения при облучении в реакторе ИВГ.1М на мощности 6 МВт в бериллии и графите происходит за счет у-излучения, (в нержавеющей стали - 70%). При облучении бериллиевых образцов в реакторе РА за счет у-излучения происходит 66% энерговыделения.

Рассмотрены следующие основные причины радиационно-стимулированного газовыделения и диффузии водорода в исследованных конструкционных материалах (железе, стали, бериллии и графите): влияние облучения на газовую фазу (водород), процессы, происходящие на поверхности и в объеме твердого тела.

Расчеты показали, что общее число протонов отдачи, образовавшихся в газовой фазе 1015 протон/см2, намного меньше количества водорода, выделяющегося из образцов бериллия или графита, Np »1018 Н/см2. Поэтому протоны отдачи как фактор, влияющий на количественные параметры диффузии водорода через данные материалы, можно во внимание не принимать. Влияние излучения на состояние поверхности и химические реакции на поверхности твердого тела имеет место при взаимодействии водорода с графитом и бериллием, так как было показано, что основной эффект воздействия излучения на эти материалы состоит в изменении каталитической активности и протекании химических реакций на поверхности.

При изучении влияния гамма-излучения на твердое тело и находящийся в нем водород было рассмотрено и проанализировано несколько гипотез ускорения массопереноса водорода за счет:

• передачи энергии излучения атому водорода и распад водородных комплексов, состоящих из протонов и пар диффузию водорода в этом случае можно описать системой уравнений для двух диффундирующих элементов - протонов и протонных кластеров, с возможностью диссоциации кластеров в поле излучения;

• ускорение массопереноса водорода за счет возникновения направленного потока атомов водорода, инициированного вторичными электронами; при этом суммарный поток атомов водорода сквозь материал будет складываться из суммы потоков при обычной термической диффузии и диффузии водорода, вызванной направленным потоком электронов;

• возникновение термических пиков вблизи от траектории прохождения высокоэнергетичной частицы;

• изменение электронных состояний металла и водорода в металле путем появления неравновесных состояний в виде фононов и пяазмонов.

Оценки показали, что число образовавшихся плазмонов на один возникший вторичный электрон примерно равно 10. За время жизни

о

порядка 10~16 с плазмон успевает пройти расстояние порядка 100 А. Объем

о

зоны действия плазмонов в этом случае равен 107 А3. Это значит, что при концентрации водорода в металле, равной 1018 атомов/см3, в зоне действия плазмона, рожденного одним вторичным электроном, оказывается порядка 100 атомов водорода. При рассмотрении возбуждений электронного газа необходим учет всех возможных источников образования плазмонов: фотоэлектроны и оставляемые ими дырки, комптон и оже-электроны, поверхностные плазмоны. На основании проведенных расчетов была высказана гипотеза, что наиболее возможной причиной эффекта радиационного активирования диффузии и удержания является ионизация водорода в объеме твердого тела за счет обобществления электрона атома водорода с электронами металла и участия его в коллективных колебания электронного газа в металле. Такой эффект может наблюдаться при аннигиляции плазмона на примеси внедрения - атоме водорода. В этом случае водород будет диффундировать как протон, создавая облегченный канал диффузии. Гипотеза была подтверждена экспериментально наблюдаемым увеличением коэффициента диффузии водорода в поле излучения.

Представленные в настоящей работе экспериментальные результаты по изучению параметров взаимодействия водорода с конструкционными материалами реакторов синтеза и деления позволяют сделать следующие обобщения и выделить общие закономерности наблюдаемых процессов и явлений:

• выявлена неаддитивность одновременного и последовательного воздействия ряда факторов: температуры, облучения и водорода на характеристики взаимодействия водорода с различными средами, что свидетельствует о синергетическом характере процесса массопереноса и накопления водорода, а также целесообразности проведения комплексных экспериментов;

• экспериментально установлено, что при облучении важнейшим фактором является не доза, а интенсивность облучения (скорость набора дозы). Эффект влияния малых доз в присутствии водорода объяснен с позиции увеличения количества высокоэнергетических связанных состояний и ускорения процессов захвата и высвобождения водорода из ловушек за счет возбуждения электронной подсистемы твердого тела;

• обнаружено появление в процессе облучения новых состояний или соединений; наличие в образцах бериллия гидроксида бериллия в приповерхностной области, содержащей окненую пленку; образование новых углеводородных состояний и соединений на поверхности и в приповерхностной области графита; выделение карбидных фаз и сегрегация фосфора по границам зерен в нержавеющей стали; сегрегация углерода в железе при воздействии водорода и облучения;

• экспериментально показано появление нового канала диффузии под облучением во всех исследуемых конструкционных материалах : диффузии по границам зерен в железе и стали, диффузии из зерна графита и диффузии по сетке микротрещин, расположенных преимущественно по границам зерен в приповерхностном сдое образцов бериллия, содержащем оксид;

• обнаружена необратимость наблюдаемых процессов и явлений, связанная с пострадиационными эффектами при исследовании водородолроницае-мости нержавеющей стали в процессе реакторного облучения, как следствие водородо- и радиационно-стимулированной сегрегации примесей на границе раздела фаз, которые, в дальнейшем, являются концентраторами напряжений, способствующих развитию микротрещин

по границам зерен; появлением сетки микротрещин в приповерхностном слое бериллия при воздействии водорода и облучения, а также новых состояний и ловушек в графите при облучении.

В заключении сформулированы основные результаты работы и

перспективы ее развития.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ:

1. Установлены основные закономерности взаимодействия водорода с железом, нержавеющей сталыо. графитом и бериллием при условии одновременного воздействия температуры и ионизирующего излучения, которые заключаются в синергетическом характере наблюдаемых явлений, существовании эффекта малых доз, появлении в процессе облучения новых состояний или соединений в объеме и на поверхности твердого тела, появлении нового канала диффузии под облучением, необратимом характере наблюдаемых процессов и явлений.

2. Обнаружено, что ионизирующее излучение активирует процесс проникновения водорода сквозь твердые тела. Показано, что эффективные коэффициенты диффузии и, в меньшей степени, константы проницаемости водорода в нержавеющей стали и армко-железе увеличиваются и накопление водорода в графите и бериллии возрастает. Эффективность воздействия ионизирующего излучения усиливается с уменьшением температуры, увеличением входного давления водорода и ростом интенсивности излучения с одновременным уменьшением энергий активаций соответствующих процессов. Наблюдаются пострадиационные эффекты, связанные с водородостимулированной сегрегацией примесей па границах зерен, усиленной облучением, и появлением межкристаллитной диффузии.

Показано, что увеличение скорости термостимулированного выделения водорода из облученных образцов графита и бериллия наблюдается только для образцов, насыщенных водородом в процессе облучения, причем данный эффект усиливается с увеличением температуры насыщения, скорости набора дозы облучения и энергетического спектра излучения реактора. Облучение также оказывает влияние на форму спектров термостимулированного выделения водорода, интенсивность выделения водорода увеличивается и появляются новые пики. Эффект воздействия малых доз облучения проявляется в

увеличении каталитической активности поверхности графита и бериллия, распаде водородных комплексов и соединений, увеличении скорости захвата и высвобождения водорода из различных дефектов в приповерхностной области. Показано, что воздействие малыми дозами облучения при повышенных температурах и одновременной экспозиции в молекулярном водороде, приводит к растрескиванию (блистерингу) окисной пленки на поверхности бериллия.

3. Проанализированы и выбраны возможные механизмы радиационного стимулирования диффузии и накопления водорода в конструкционных материалах при у-и реакторном облучении: ионизация в газовой фазе, влияние излучения на состояние поверхности и химические реакции на поверхности, влияние излучения на объем твердого тела за счет возникновения радиационных дефектов, передачи энергии излучения атому водорода и распада водородных комплексов, возникновения направленного потока электронов, изменения электронных состояний металла и водорода в металле вследствие изменения фононного спектра, а также образования термических пиков; появление неравновесных возбуждений в виде плазмонов. Показано, что основной возможной причиной эффекта радиационного активирования диффузии водорода является его ионизация в объеме твердого тела за счет обобществления электрона атома водорода с электронами металла и участия его в коллективных колебания электронного газа.

4. Предложена феноменологическая модель диффузии водорода в металлах и сплавах в процессе облучения, адекватно описывающая комплекс экспериментальных исследований и представляющая собой одновременную диффузию по нескольким каналам, содержащим различного сорта ловушки, с обратимым обменом между каналами, формально описываемым кинетикой химической реакции первого порядка. Использование данной модели позволило определить: коэффициенты диффузии по канату, возникшему в результате действия облучения и энергию активации процесса; количество новых диффузионных путей; количество и характеристики дефектов.

5. Разработаны новые методики проведения внутриканальных экспериментов по изучению водородопрошщаемости и насыщению образцов конструкционных материалов изотопами водорода. Созданы автоматизированные экспериментальные стенды для исследования

параметров взаимодействия водорода с конструкционными материалами методами водородопроницаемости, термостимулированного газовыделения и оже-электронной спектроскопии.

6. Разработан комплекс программ управления, обработки результатов экспериментов и математического моделирования, включающий в себя численные решения систем дифференцначьных уравнений в частных производных с различными начальными и граничными условиями, описывающие различные механизмы диффузии.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Шестаков В.П., Тажибаева И.Л., Руденко Н.В., Аппаратура и методика исследования водородопроницаемости металлов при низкоэнергетическом гамма-облучении,- ФХММ, 1984, №1, с. 124-125.

2. Тажибаева И .Л., Руденко Н.В., Чужко Р.К., Исследование водородопроницаемости палладия, никеля и армко-железа под действием гамма-излучения, - Вопросы ат. науки и техники, сер. «Термоядерный синтез», 1984, 3(16), стр. 64-71.

3. Тажибаева И.Л., Шестаков В.П., Руденко Н.В., Чужко Р.К., Изучение возможности радиационного стимулирования процесса диффузии водорода в металлах., - ЖФХ, 1984, т. VIII, №5, с. 1208-1211.

4. Тажибаева И.Л., Бекман И.Л., Шестаков В.П., Руденко Н,В., Особенности воздействия ннзкоэнергетического гамма-излучения на водородопроницаемость некоторых материалов,- ФХММ, 1985, №1, с. 1823.

5. Шестаков В.П., Тажибаева И.Л., Романенко О.Г., Установка для изучения водородопроницаемости металлов с одновременной диагностикой поверхности методом ОЭС,- ФХММ, 1987, №1, с. 114-116.

6. Герасин В.Я., Иванов В.Я., Кадников В.П., Костылев А.М., Тажибаева И.Л., Тверской B.C., Шестаков В.П., Авторское свидетельство №257888, от 1 июля 1987 г.

7. Герасин В.Я., Еремеев B.C., Кадников В.П., Калинин Г.М., Тажибаева И.Л., Шестаков В.П., Авторское свидетельство №276849, от 1 июня 1988 г.

8. Герасин В.Я., Тажибаева И.Л., Тверской B.C., Шестаков В.П., Водородопроницаемость конструкционных материалов, - Обзор, сер. VI, М„ ЦНТИ «Поиск», 1989, 96 с.

9. Герасин В.Я., Тажибаева И.Л., Тверской B.C., Шестаков В.П., Перспективные методы исследования процессов взаимодействия водорода с конструкционными материалами, - Обзор, М., ЦНТИ «Поиск», 1990, с. 1-64.

10.Шестаков В.П., Тажибаева И.Л., Золотова Л.А., Бекман И.Н., Романенко О.Г., Проникновение водорода сквозь никель с различным элементным составом поверхности, - ФХММ, 1991, № 2, с. 43-47.

11.Козырев O.X., Тажибаева И.Л., Золотова Л.А., Шестаков В.П., Романенко

0.Г., Влияние ультрафиолетового излучения на проникновение водорода сквозь армко-железо, - ФХММ, 1991, №3, с. 25-28.

12.Шестаков В.П., Тажибаева И.Л., Козырев О.Х., Клепиков А.Х., Садвакасова Д.У, Романенко О.Г., Аппаратура и методика механических испытаний конструкционных материалов в сверхчистых средах, - ФХММ, ¡992, №5, с. 92-93.

13.Шестаков В.П., Тажибаева И.Л., Романенко О.Г., Клепиков А.Х., Иванов А.Д., Сафонов В.А., Сметанников В.П., Перехожев В.И., Применение методов водородопроницаемости, газовыделения и оже-электронной спектроскопии для аттестации конструкционных материалов «чистых помещений», - ФХММ, 1992 №6, с. 28-31.

M.Beckman I.N., Tazhibaeva I.L., Shestakov V.P., Romanenko O.G., Complex investigation of gas diffusion processes in vacuum technology materials,-Vacuum Physics and technology, 1993, v.l, №1, p.43-51.

15-Tazlnbaeva I.L., Shestakov V.P., Romanenko O.G., Cherepnin Yu.S., Tarasov V.L, Kenzhin E.A., Basov A.V., Hydrogen interaction with constructional materials of nuclear power devices «in situ» the pile irradiation, -AIP conference Proceedings, 7-th Symposium «Space nuclear power and propulsion», Albuquerque, NM, USA, 1994, v.2, p.945-951.

16.Бекман И.Н., Романенко О.Г., Тажибаева И.Л., Шестаков В. П., .Автоматизированная установка для изучения процессов водородопроницаемости,- жур. Вакуум, техн. и технология, 1994, т. 4, №

1, с. 37- 45.

17.Shestakov Y.P., Romanenko O.G., Tazhibaeva I.L., Klepikov A.Kh., Chikhray Y.V., Saksaganskiy G.L., Prokofiev Yu. G., Mazaev S.N., Deuterium permeation through beryllium with surface element composition control, -Proceedings of the 18-th Symposium on Fusion Technology, Karlsruhe, Germany, 1994, J. Fussion Engineering and Design, 1995, v. 30, № 1/2, p. 427430.

IS.Tazhibaeva I.L., Shestakov V.P., Chikhray Y.V., Romanenko O.G., Klepikov A.Kh., Cherepnin Yu.S., Kenzhin E.A., Basov A.V., Kolodeshnikov A.A., Hydrogen permeability technique in situ reactor irradiation for ITER structural materials, Fusion technology, v.28, part 2, 1995, p. 1290-1293.

19.Тажибаева И.Л., Шестаков В.П., Клепиков A.X., Романенко О.Г., Кенжин Е.А., Басов А.В., Тихомиров Л.Н., Колбаенков А.Н., Черепнии Ю.С., Проникновение водорода через нержавеющую сталь в процессе облучения в реакторе ИВГ.1М, - Матер, науч.-практ. конф. «20 лет энергетического пуска реактора ИВГ-1», 1995, с. 113.

20.Тажибаева И.Л., Клепиков А.Х., Романенко О.Г., Шестаков В.П., Чихрай Е.В., Кенжин Е.А., Басов А.В., Зеленский Д.И., Зверев В.Н., Чертков Ю.Б., Исследование накопления и выделения водорода в облученных образцах бериллия и графита, - таж же, с. 117.

21.Чихрай Е.В., Тажибаева И.Л., Шестаков В.П., Романенко О.Г., Клепиков А.Х., Моделирование процессов переноса водорода в экспериментах по

термодесорбшш и проницаемости в бериллии и графите, - там же, с. 122.

22.Tazhibaeva I.L., Shestakov Y.P., Chikhray Y.V., Romanenko O.G., Klepikov A.Kh., Hydrogen permeability measurements of 08Crl8Nil0Ti stainless steel in fission reactor irradiation conditions, - Plasma devices and operations, 1996,v. 5, № 1, , p. 71-76.

23.Чихрай E.B., Шестаков В.П., Романенко О.Г., Тажибаева И.Л., Клепиков А.Х.. Моделирование процессов переноса водорода в конструкционных материалах в экспериментах по термодесорбции и проницаемости, -ВАНТ, сер. Термоядерный синтез, 1996, вып. 1, с. 42-45.

24.Тажибаева И .Л., Клепиков А.Х., Шестаков В.П., Ромапенко О.Г., Чихрай Е.В., Кенжин Е.А., Басов А.В., Зеленский Д.И., Зверев В.Н., Чертков Ю.Б.. Исследование накопления и выделения водорода в облученных образцах бериллия и графита, - ВАНТ, сер. Термоядерный синтез, 1996, вып. 1, с. 29-36.

25.Tazhibaeva I.L., Klepikov A.Kh., Shestakov V.P., Romanenko O.G., Chikhray Y.V., Kenzhin E.A., Cherepnin Yu.S., Tikhomirov L.N, Zverev V.A., Hydrogen release of reactor irradiated RGT-graphite,- J. Nucl. Mater., 1996, v. 233-237, p. 1198-1201.

26.Klepikov A.Kh., Tazhibaeva i.L., Chikhray Y.V., Shestakov V.P., Romanenko

0.G., Kenzhin E.A., Cherepnin Yu.S., Tikhomirov L.N., Hydrogen release from reactor irradiated beryllium,- .T. Nucl. Mater., 1996, v. 233-237, p. 837840.

27.Romanenko O.G., Tazhibaeva I.L., Shestakov V.P., Chikhray Y.V., Klepikov A.Kh., Golossanov A.V., Kolbasov R.N., Hydrogen gas driven permeation through vanadium alloy VCr6Ti5, -J. Nucl. Mater." 1996, v. 233-237, p. 376380.

28.Тажибаева И.Л., Шестаков В.П., Клепиков A.X., Ромаиенко О.Г., Кенжин Е.А., Басов А.В., Тихомиров Л.Н., Колбаенков А.Н., Черепнин Ю.С., Проникновение водорода через нержавеющую стать в процессе облучения в реакторе ИВГ.1М, - ВАНТ, сер. Термоядерный синтез, вып.

1, 1996, с. 36-41.

29.Школьник B.C., Шеманский В.А., Черепнин Ю.С., Скоз Е.Я., Назаренко П.И., Шестаков В.П., Тажибаева И.Л., Реализация технической стадии проекта ИТЭР по Казахстану, Тезисы докл. на Межд. Конф. "Ядерная энергетика в РК. Перспективы развития", 24-27 июня 1996 г., Актау, с. 12-13.

30.Чихрай Е.В., Тажибаева И.Л., Шестаков В.П., Романенко О Г., Клепиков А.Х., Банк моделей диффузии водорода в облученных материалах для ядерных и термоядерных установок, -там же, с. 109,

31.Клепиков А.Х., Тажибаева И.Л., Шестаков В.П., Романенко О.Г., Чихрай Е.В., Кенжин А.А., Тихомиров Л.Н., Исследование влияния интенсивности и спектра нейтронного излучения на параметры газовыделения водорода из облученных образцов бериллия,- там же, с. 105.

32.Sedano L., Perujo A., Polosukhin B.G., Primakov N.G., Tazhibaeva I.L,

Understanding of Experimental Results on the Radiation Enhancement of H Isotope's Permeability through Austenitic/ Martensitic Steels, - Book о Abstract 19-th Symp.on Fusion Techn.,Sept. 16-20, Lisbon, Portugal, 1996 p.416.

33.Shkolnik V.S., Shemansky V.A., Cherepnin Yu.S., Skoz E.Ya., Nazarenko P.I. Shestakov V.P., Tazhibaeva I.L., Kazakhstan R&D activity on ITER Project, Proceedings of 16-th IAEA Fusion Energy Conference, Montreal, Canada, Oct 7-11, 1996, Fusion Energy 1996, IAEA,1997,v.2 p. 827-834.

34.Тажибаева И.Л., Клепиков A.X., Шестаков В.П., Романенко О.Г. Кенжин Е.А., Тихомиров Л.Н., Черепнин Ю.С., Особенносп взаимодействия водорода с бериллием при реакторном облучении, Тезисг докладов 6 Всероссийской конф. «Инж. проблемы термоядерны: реакторов», Санкт - Петербург, Россия, 1997, с. 210.

ЗЗ.Чихрай Е.В., Тажибаева И.Л., Шестаков В.П., Клепиков А.Х., Романеню О.Г., Компьютерный банк моделей взаимодействия водорода < конструкционными материалами при внешних воздействиях,-там же с.211.

Зб.Козырев О.Х., Тажибаева И.Л., Шестаков В.П., Влияние УФ - излучени: на параметры взаимодействия водорода с медью, -там же, с.217.

37.Shkolnik V.S., Tazhibaeva I.L., Shestakov V.P., Cherepnin Yu.S., Velikho E.P., Azizov E.A., Buzhinsky O.I., Shakhovez K.G., Mineev A.B., Gostev A.A, The Low Aspect Ratio Tokamak for Material Researches,- Abstract International Workshop on Spherical Torus'97, A.F. IofTe Phys. - Tecli Institute, St. Petersburg, Russia, 1997, p. 46.

38-Тажибаева И.Л., Изучение взаимодействия изотопов водорода i конструкционными материалами ТЯР в процессе реакторного облучения, Материалы межд. конф. «Ядерная и радиационная физика», 1997 Алматы, с. 50-64.

39.Romanenko O.G., Shestakov V.P.. Tazhibaeva I.L., Klepikov A.Kh. am Chikhray Y.V., Investigation of Changes in Beryllium Surface Elemen Composition Caused by Plasma Glowing Discharge, Program and Collected Abstracts, Eighth International Conference on Fusion Reactor Material; Sendai, Japan, 1997, p. 149.

40.Tazhibaeva I.L., Klepikov A.Kh., Shestakov V.P. and Chakrov P.V., Influenc of Irradiation on Microstructure of Beryllium Samples, Program and Collected Abstracts, Eighth International Conference on Fusion Reactor Material: Sendai, Japan, 1997, p. 151.

41.KJepikov A.Kh., Tazhibaeva I.L., Shestakov V.P., Romanenko O.G., Chikhra Y.V., Kenzhin E.A. and Tikhomirov L.N., Influence of Saturation Method о Hydrogen Release and Retention in Beryllium, Program and Collecte Abstracts, Eighth International Conference on Fusion Reactor Material; Sendai, Japan, 1997, p. 152.

ИОНДЫ СЭУЛЕЛЕНУ 0Р1С1НДЕ КОНСТРУКЦИЯЛЫК, МЛТЕРИАЛДАРДА СУТЕГ1НЩ ТАСЫМАЛДАУ ПРОЦЕСТЕР1

Температура мен ионды сэулелену 6ip уакытга эсер еткенде сутсгнйи

тем1рмен, тат баспайтын болатпен, графитпен жэне бериллиймен эсерлесушщ Herbri зандылыктары ацыктатды. Олар бакыланып отыртан кубылыстардын синергетикалык сипатынан, кшп дозалардьщ тишдшпнен, каггы денелердщ жалпы келемшде жэне жазык беткешде соул ел с ну npoueci кезшде жана курылымдар мен космл ыстардыц пайда болуынан, сэулелену ecepiMen диффузиялык жана каналдарыньщ пайда болуынан, бакыланып отырг-ан процестер мен кубылыстардыц кзйтымсыз сипатынан коршедк Иондалган соулеленд1ру сутепнш катгы денелер аркылы оту процесш кушеитетйй байкалды. Урыкхардьщ шекараларындага крсылыстардын сеулелеку жолымен кушеигЬген cyreri кушейтуд'т сегрегашгамен жоне кристаллитаралыкты диффузиямен байланысты радиациянын кешнп эффекттер! байкалынады. Диффузия ны радиациялык жолмен кушепудш жэне у-реакторлык сэуледеп конструкдаялык материатдарда cyreriiii жинактаудыц мумкш болатын механнзмдерше талдау жасалып тацдап алынды. Сутепнщ диффузиясынын метатдардаш жоне куймалардагы сэулелену процесшдеп феномендж модел! усынылды, ол таж1рибелж матметтер кешешн толы к, гусждфш сипаттайды.

THE PROCESSES OF HYDROGEN TRANSPORT IN STRUCTURAL MATERIALS IN THE FIELD OF IONIZING RADIATION

The main regularities of hydrogen interaction with iron, stainless steel, graphite and

beryllium in the conditions of simultaneous influence of temperature and ionizing irradiation, which result in synergetic features of the processes observed, the existence of small fluences effect, the appearance of new states and compositions in the bulk or on the surface of condensed matter, the appearance of new channel of diffusion under irradiation, irreversible nature of the observed processes and phenomena, were established. It is found out that ionizing irradiation makes more active the process of hydrogen permeation through condensed matters. Post-radiation effects are observed, connected with hydrogen stimulated segregation of impurities at the grain boundaries, intensified by irradiation and by the appearance of intergranular diffusion. Possible mechanisms of radiation stimulated diffusion and hydrogen inventory in structural materials under y- and reactor irradiation have been analyzed. The phenomenological model of hydrogen diffusion in metals and alloys in the process of irradiation, which describes identically the complete set of experimental data, is proposed.

c>