Международная телекоммуникатсионная конферентсия Молодеж и наука Ч.1 2015

Перспективные методы анализа, моделирования, получения и обработки

П.Л. ДОБРОХОТОВ Научный руководитель – М.Г. ИСАЕНКОВА, д.ф.-м.н., профессор

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

ФОРМИРОВАНИЕ ТЕКСТУРНОЙ И СУБСТРУКТУРНОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ В ТРУБАХ ИЗ НАНОКОМПОЗИТНЫХ ФЕРРИТНО-МАРТЕНСИТНЫХ ДУО СТАЛЕЙ

Изучено формирование послойной неоднородности текстуры и субструктурного состояния в трубах из ферритно-мартенситных ДУО сталей на разных этапах их изготовления. Установлена зависимость механических свойств труб от выявленной неоднородности, предложен механизм, объясняющий формирование неоднородности текстуры и субструктуры.

Стали ферритно-мартенситного класса дисперсно упрочненные оксидами (ДУО) являются одними из наиболее вероятных кандидатов в конструкционные материалы будущих ядерных реакторов на быстрых нейтронах. Основное их преимущество перед прочими конструкционными материалами состоит в низкой склонности к радиационному распуханию в условиях облучения при одновременном сохранении высокого уровня механических свойств при повышенных температурах.

Известно, что физические и механические свойства определяются структурно-фазовым состоянием исследуемого материала, в частности сформированной при обработке текстурой (т.е. преимущественной ориентацией кристаллической решетки) и особенностями субструктурного состояния (т.е. структурного состояния материала в пределах зерна) [1, 2]. Основными этапами процесса изготовления оболочек твэлов являются прокатка и термообработка – процессы, неизбежно приводящие к формированию определенной текстуры и субструктурного состояния в материалах [1]. Основные свойства конечных изделий из сталей, таким образом, определяются особенностями обработки на последовательных этапах их изготовления. Поэтому изучение закономерностей формирования текстуры и субструктурного состояния в стали ферритно-мартенситного класса ЭП450 ДУО и выявление зависимости механических свойств от установленных особенностей явилось целью данной работы.

В работе использованы как классические методы рентгеновского текстурного и структурного анализа, так и оригинальный метод построения обобщенных прямых полюсных фигур (ОППФ) [2,3], позволяющий рассматривать субструктурное состояние зерен – мелкодисперсность струк-

_______________________________________________________________________

Перспективные методы анализа, моделирования, получения и обработки…

туры и микроискажения кристаллической решетки – в зависимости от их преимущественной ориентации.

Исследование труб из стали ЭП450 ДУО как после прокатки, так и после термообработки показало, что текстура и структура существенно различаются по толщине труб: во внешних слоях преобладает текстурная компонента {100}<011>, тогда как во внутренних – компонента {111}<011-112>. При этом внешние слои, по сравнению с внутренними слоями, характеризуются размытием текстурных максимумов и большими значениями полуширины рентгеновских линий, определяющей субструктурное состояние материала вдоль выбранных направлений.

Известно [4], что зерна, ориентированные согласно двум основным текстурным компонентам, обладают различной морфологией, пластичностью и степенью деформационного наклепа. В прокатанном материале образуются чередующиеся слои, состоящие из зерен разной ориентации и

сразличными свойствами. В случае трубы из ферритно-мартенситной стали ЭП450 ДУО количество зерен, которым соответствуют компоненты

сплоскостью прокатки {100} и {111}, различно во внешних и внутренних слоях трубы, что сопровождается изменением микротвердости, измеренной в перпендикулярном L-направлению сечении трубы вдоль толщины: значения микротвердости внешних слоев выше, чем внутренних слоев.

Текстурная и субструктурная неоднородность труб из исследованных сталей объясняется различием значения Q-фактора, равного отношению обжатий по толщине стенки и по диаметру трубы при ее прокатке [5]. Значение Q-фактора максимально для внешней поверхности трубы и минимально для внутренней, что определяет различие в текстуре и субструктурном состоянии труб и обусловливает текстурную и субструктурную неоднородности.

Список литературы

1.Уманский Я. С., Скаков Ю. А., Иванов А.Н., Расторгуев Л.Н. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия. // М.: Металлургия, 1982, 632 с.

2.Исаенкова М. Г., Перлович Ю. А. Закономерности развития кристаллографической текстуры и субструктурной неоднородности в циркониевых сплавах при деформации и термообработке: Монография. // М.: НИЯУ МИФИ, 2014. – 528 с.

3.Perlovich Yu., Bunge H.J., Isaenkova M., Fesenko V. The Distribution of elastic deformation in textured materials as revealed by peak position figures. // Material Science Forum, 1998,

v.273-275, p. 655-666.

4.Полухин П. И., Горелик С.С., Воронцов В. К. Физические основы пластической деформации. // М. Металлургия, 1982. 584 с.

5.Займовский А.С., Никулина А.В., Решетников Н.Г. Циркониевые сплавы в атомной энергетике. // М.: Энергоиздат, 1994. – 256 с.

_______________________________________________________________________

72 ISBN 978-5-7262-2221-9. XIХ конференция «Молодежь и наука»

Перспективные методы анализа, моделирования, получения и обработки

В.В. МИХАЛЬЧИК Научный руководитель – В.Г. БАРАНОВ, к.т.н., с.н.с.

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ СТАБИЛЬНОСТИ ПЕРСПЕКТИВНЫХ КОМПОЗИЦИЙ НИТРИДНОГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА ДЛЯ РЕАКТОРОВ IV ПОКОЛЕНИЯ

Проведено исследование термической диссоциации нитридного ядерного топлива, используемого для быстрых реакторов с замкнутым топливным циклом. Изучение данной проблемы необходимо для оценки рисков выделения жидкого урана и испарения актиноидов в процессе фабрикации и эксплуатации ядерного топлива.

Наиболее перспективным топливом для реактора IV поколения со свинцовым теплоносителем является смешанное нитридное ядерное топливо, которое в сравнении с широко используемым оксидным топливом имеет более высокую плотность и теплопроводность. Однако нитридное ядерное топливо имеет серьезный недостаток: относительно низкую термическую стабильность, что может приводить к частичному разложению мононитрида урана с образованием жидкой фазы, а также к значительному испарению смешанного нитрида.

Всесторонние экспериментальные исследования термической стабильности нитридного ядерного топлива уже проводились ранее [1,2], однако, имеющиеся данные не позволяют оценить безопасность нитридного топлива при эксплуатации и в процессе фабрикации. В данной работе основной задачей является изучение кинетики процесса диссоциации и испарения нитридного ядерного топлива для прогнозирования поведения в реальных промышленных изделиях.

Образцы мононитрида урана для исследований термической стабильности синтезировались из чистого металла путем гидрированиядегидрирования и последующего нитрировния. Для имитирования выгорания 100 и 200 ГВт∙сут./тU и накопления ПД с минорными актиноидами, в мононитрид урана добавлялось 10 и 20 масс.% нитрида мишметалла.

Для исследования термической диссоциации использовалось несколько экспериментальных методов, результаты которых взаимосвязаны и подтверждают друг друга. Высокотемпературные испытания проводились в синхронном термическом анализаторе Netzsch STA 449 F1, позволяющем получать зависимость потери массы образцов от температуры. Микроструктурные исследования проводились с помощью растрового электронного микроскопа JEOL-6610LV с энергодисперсионным рентгенов-

_______________________________________________________________________

Перспективные методы анализа, моделирования, получения и обработки…

ским анализатором. Все операции с нитридным топливом проводились в специальном аргоновом боксе для исключения окисления.

Исследование термической диссоциации нитридного топлива проводилось в высокочистом гелии при температурах выдержки 2073-2373 К, с использованием методики разработанной нами ранее [3]. Экспериментальные данные показали, при увеличении температуры выдержки, максимальная скорость потери массы мононитрида урана возрастает экспоненциально. Построение аррениусовской зависимости позволило посчитать энергию активации основного процесса. Полученное значение соответствует теплоте испарения урана и, следовательно, основной вклад в потерю массы приносит испарение урана. Растровая электронная микроскопия показала, что после испытаний, на поверхности образцов присутствуют сферические выделения урана, образовавшиеся в процессе диссоциации.

При добавлении нитрида мишметалла в UN скорость потери массы становится еще более высокой. Однако, выделений жидкого урана не наблюдается. Это говорит о подавлении процесса диссоциации при добавлении имитаторов продуктов деления и минорных актиноидов, благодаря расширению области гомогенности UN. Основным механизмом потери массы в смешанном нитридном топливе становится испарение компонентов мишметалла.

В заключение следует сказать, что образцы с более сложным химическим составом более стабильны, чем чистый UN, с точки зрения диссоциации, однако скорость испарения становится выше. При добавлении 1020 масс.% нитрида мишметалла в UN, температура начала потери массы падает на 200-300 К. Таким образом, крайне важно тщательно выбирать режимы высокотемпературной обработки нитридного топлива для предотвращения диссоциации и активного испарения. Как продукты деления, так и младшие актиноиды будут затруднять процесс переработки смешанного нитридного топлива. В лаборатории будет продолжена работа, направленная на поиск путей, увеличивающих температуру диссоциации и снижающих скорость испарения смешанного нитридного топлива.

Список литературы

1.M. Uno, T. Nishi, M. Takano. Thermodynamic and thermophysical properties of the actinide nitrides. Comprehensive Nuclear Materials, Изд.: R. J. M. Konings, (2012) с. 61-85.

2.Merja Pukari, Experimental and theoretical studies of nitride fuels, Докторская Диссерта-

ция, Швеция, (2013) 74 с.

3.В.Г. Баранов, Р.С. Кузьмин, В.В. Михальчик, А.В. Тенишев, J. Advanced Mater. Research 1040 (2014) с. 47-52.

_______________________________________________________________________

74 ISBN 978-5-7262-2221-9. XIХ конференция «Молодежь и наука»

УЛЬТРАДИСПЕРСНЫЕ (НАНО-) МАТЕРИАЛЫ

Н.С. ТАРАНОВ Научный руководитель – Т.А. ЛИТИНОВА, к.т.н., доцент

Волгодонский инженерно-технический институт НИЯУ МИФИ

МОДЕРНИЗАЦИЯ УСТАНОВКИ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОГО УПЛОТНЕНИЯ

Проведена модернизация действующей установки электроконтактного уплотнения. Разработана установка ультразвукового электроконтактного уплотнения с широкими технологическими возможностями по формированию порошковых материалов различного функционального назначения. Рассмотрена технология ультразвукового электроконтактного уплотнения.

Внастоящее время в различные отрасли промышленности внедряют новые, технически более совершенные технологические процессы получения порошковых материалов и изделий, но и совершенствуют уже известные технологии.

Вработах [1-2] рассмотрена технология электроконтактного уплотнения (ЭКУ), основанная на приложении уплотняющего усилия при прямом пропускании электрического тока через уплотняемую шихту. В ранее проведенных исследованиях [3-5] была доказана применимость этой технологии для изготовления деталей из карбонильного железного и распыленного бронзового порошков и конструкционной порошковой стали. В результате установлен факт интенсификации диффузионных процессов и формирования качественного межчастичного сращивания при ЭКУ порошков.

Целью настоящей работы является расширение технологических возможностей ЭКУ для получения порошковой стали с требуемыми свойствами. Для этой цели в данной технологии применили дополнительное внешнее воздействие – ультразвук. Для практической реализации ультразвукового электроконтактного уплотнения (УЭКУ) была проведена модернизация действующей установки ЭКУ. Установка дополнительно снабжается двумя ультразвуковыми головками предназначенными для возбуждения в порошковой шихте продольных и поперечных ультразвуковых колебаний. В корпусе ультразвуковой головки размещен ультразвуковой преобразователь продольных колебаний с волноводной систе-

_______________________________________________________________________