1Сечения взаимодействия нейтронов с ядрами характеризуют вероятность ядерной реакции (например, поглощения) или изменения энергии нейтронов (рассеяния).

Бериллий и оксид бериллия хрупки, дорогостоящи и токсичны, что плохо согласу­ется с общими требованиями к конструкционным материалам. Для металлического бе­риллия и его оксида характерными эффектами, наблюдаемыми при росте флюенса быстрых нейтронов, являются размерная нестабильность и гелиевое охрупчивание. Раз­мерная нестабильность связана с реакциями взаимодействия быстрых нейтронов с бе­риллием. Увеличение относительного объема ∆V/V образца бериллия (радиационное распухание) при температурах облучения 70-130 °С описывается зависимостью

∆V/V =0,584F^0.93

где F·10^-26 - флюенс (Е > 1 МэВ) нейтронов.

Пластичность облученного бериллия падает практически до нуля уже при относи­тельно невысоких флюенсах нейтронов (1-4) 10²⁵ нейтр./м². Это свойство носит назва­ние гелиевого охрупчивания бериллия.

При облучении нейтронным потоком линейные размеры изделий из оксида берил­лия увеличиваются, соответственно уменьшается плотность, увеличивается пористость изделий. При низких температурах облучения (75-100 ⁰С) ускорение темпа роста объема оксида бериллия наблюдается при флюенсе быстрых нейтронов около 3·10²⁴ нейтр./м² (рис. 6.1). Увеличение температуры облучения образцов уменьшает рост их объема. Чем выше плотность образцов, тем больше их расширение при одинаковом флюенсе.

Рис. 6.1. Радиационное рас­пухание ∆V/V высокоплотного оксида бериллия в зависимости от флюенса нейтронов при температурах 75-110°С (1) и 500-700°С (2)

Существует предельно допустимое удлинение при расширении, превышение кото­рого приводит к растрескиванию, разрушению, превращению изделий в порошок. Флюенс, при котором происходит разрушение, увеличивается с уменьшением размера зерна оксида бериллия согласно зависимости

где δ - размер зерна, мкм (размер зерна определяли при температурах облучения 50-100 °С).

Максимально допустимый флюенс, не вызывающий микрорастрескивания, в зави­симости от температуры облучения, плотности потока нейтронов и размера зерна оксида бериллия, приведен на рис. 6.2.

Рис. 6.2. Изменение максимально допустимого флюенса, не вызывающего микрорастрескивания, в зависимости от температуры облучения, размера зерна ВеО

(1 - 1...2.5 мкм; 2 - 10...15 мкм) и плотности потока нейтронов, равной 10¹⁶ и 10¹⁷ нейтр./(м²·с)

Основную роль в изменении объема изделий из оксида бериллия играет гелий, а также тритий, образующиеся при взаимодействии бериллия с быстрыми нейтронами Содержание гелия (его около 0,95 по объему в смеси с тритием) увеличивается с ростом флюенса нейтронов (рис. 6.3). Если температура изделия превышает 1200°С, становится существенным выделение гелия из образцов оксида бериллия (рис. 6.4), зависящее от времени выдержки. На этом основан способ восстановления свойств изделий из оксида бериллия с помощью высокотемпературного отжига.

Рис. 6.3. Зависимость объем­ной доли гелия в облученном оксиде бериллия от флюенса нейтронов

Рис. 6.4. Зависимость объем­ной доли гелия, выделившегося из облученных образцов ВеО (F=2·10²⁴ нейтр./м³, 860 °С) при различных температурах отжига, от времени τ

Теплопроводность образцов при облучении уменьшается с ростом флюенса в тем большей сте­пени, чем выше плотность материала (рис. 6.5). С увеличением температуры уменьшение теплопро­водности замедляется и при 100 °С достигает на­сыщения на уровне 40-50 % исходного значения при флюенсе 4·10²⁵ нейтр./м².

Рис. 6.5. Зависимость относитель­ной теплопроводности (λ₀ - исход­ная теплопроводность) оксида берил­лия от флюенса быстрых нейтронов при плотности образцов 2,7-2,9 (1),

2,8-3,0 (2) и 2,9-3,0 г/см³ (3) и тем­пературе облучения 40-140 °С

Прочность оксида бериллия падает с ростом флюенса нейтронов в тем большей степени, чем выше плотность образца. Повышение температуры облучения до 350—400 °С заметно уменьшает влия­ние нейтронного потока, но оно остается еще зна­чительным. Отжиг при 1300 °С полностью восста­навливает прочностные свойства. На рис. 6.6-6.8 приведены зависимости относительной прочности оксида бериллия при сжатии, растяжении и изгибе от флюенса быстрых нейтронов (Е > 1 МэВ) и тем­пературы. Небольшое увеличение прочностных свойств при малом флюенсе соответствует теоре­тическим данным.

Рис. 6.6. Зависимость относитель­ной прочности ВеО при сжатии от флюенса нейтронов при плотности образцов 2,99-3,0 (1), 2,5 (2), 3,0 (3) и 2,7-2,8 (4) г/см³:

1,2 — образцы, облученные при 100 °С; 3, 4 - образцы, облученные и обожженные при 1300 °С в течение 24 ч

Рис. 6.7. Зависимость относитель­ной прочности ВеО при растяжении от флюенса при плотности образ­цов 2,6-2,85 г/см³ и температуре облучения 100 °С (1) и 350-400 °С (2)

Рис. 6.8. Зависимость относитель­ной прочности ВеО при изгибе от флюенса при плотности образцов 2,8-2,9 г/см³ и температуре облу­чения 100 °С

Облучение приводит к росту скорости ползуче­сти оксида бериллия. Наблюдается релаксация на­пряжений в образцах, облучаемых при 500-700 °С, что объясняется наступающей в этих условиях пол­зучестью.

Магний и его сплавы. Сплавы магния яв­ляются низкотемпературными (температура плав­ления магния 650 °С) конструкционными ма­териалами, коррозионно-стойкими на воздухе и в среде углекислого газа (до ~ 400 °С), но имею­щими низкое сопротивление коррозии в водной среде, жидкометаллическом натрии и эвтектиках Мg — Na и Мg - К. По ядерным свойствам магний уступает лишь бериллию. Его существенным не­достатком является высокое термическое сопро­тивление. Теплопроводность магния и его сплавов (при 20 °С λ = 63...171 Вт/(м·°С)) более чем в 100 раз ниже, чем сплавов алюминия.

При температурах ниже 500 °С в среде угле­кислого газа сплавы магния показали хорошую радиационную стойкость: при флюенсе нейтро­нов до 10²⁵ нейтр./м² никаких существенных ра­диационных дефектов (распухания, радиационной ползучести, изменения прочности и пластично­сти) не наблюдалось.

Цирконий и его сплавы. Сплавы циркония получили широкое распространение благодаря своей высокой механической прочности при повышенных температурах, хо­рошей коррозионной стойкости в воде и паре, технологичности. По ядерным параметрам цирконий является третьим после бериллия и магния элементом. Низкая теплопровод­ность циркония (при 20 °С λ = 18 Вт/(м·°С)) компенсируется относительно низким теп­ловым расширением. Невысокая коррозионная стойкость при высоких температурах и относительная дороговизна сдерживают применение сплавов циркония.

В потоке быстрых нейтронов наблюдаются радиационный рост и радиационная ползучесть сплавов циркония, существенные в температурном интервале 180-530 °С. С увеличением температуры от 300 до 400 °С влияние нейтронного облучения на ползу­честь уменьшается, что объясняется быстрым отжигом радиационных дефектов, однако при этом воз­растает и становится определяющей термическая пол­зучесть. Результаты испытаний сплавов циркалой-2, содержащего, % (маc.): 1,2-1,7 Sn; 0,07-0,2 Fе; 0,05-0,15 Сr; 0,03-0,08 Ni, 0,03-0,08 N; 0,01 О, ос­тальное Zr, и Н-2,5 (Zr+2,5 % Nb), представлены в табл. 6.76.

Таблица 6.76. Результаты испытания на ползучесть труб из сплавов циркалой-2 и Н-2,5

Плотность потока быстрых нейтронов.

Нейтронное облучение увеличивает скорость ползучести холоднодеформированного циркалоя-2 при 200-350 °С на порядок и более. Скорость ползу­чести холоднодеформированного сплава Н-2,5 возрастает в меньшей степени.

При 340-350 °С у циркалоя-2 наблюдается рез­кое увеличение скорости ползучести (рис. 6.9). Об­разцы были подвергнуты холодной пластической деформации на 15-20 %.

Рис. 6.9. Зависимость скорости пол­зучести сплава циркалой-2 от тем­пературы при облучении в потоке быстрых нейтронов плотностью (5-9)·10¹⁶ нейтр./(м²·с) при σ, равном 210 (1) и 140 МПа (2)

Алюминий и его сплавы. Основными радиационными дефектами для сплавов алюминия являются радиационное распухание и увеличение предела длительной проч­ности. Радиационное распухание обусловлено реакциями взаимодействия быстрых ней­тронов с ядрами алюминия, при которых образуются кремний, водород и гелий. Влияние флюенса нейтронов с Е > 0,1 МэВ на относительное изменение объема сплавов алюми­ния приведено на рис. 6.10. Длительная прочность алюминиевого сплава 1100 после об­лучения нейтронами с флюенсом (0,7-11)·10²⁶ нейтр./м² возрастает (рис. 6.11), что является следствием радиационного упрочнения материала. Прочностные и пластиче­ские свойства сплава 1100 в зависимости от флюенса нейтронов с Е > 1 МэВ приведены на рис. 6.12. Значительные дозы облучения не приводят к радикальному изменению механических свойств.

Рис. 6.10. Радиационное распу­хание алюминия и сплавов в зависимости от флюенса нейтро­нов при температуре облучения 50-60 °С :

1 - 99,9999 % А1; 2 - сплав 1100 (алюминий промышленной чистоты); 3-сплав 6061 (А1+0,7 % Мg+0,4 % Si)

Рис. 6.11. Изменение предела длительной прочности алюми­ниевого сплава 1100:

1,2- после облучения при 100 и 150 °С соответственно; 3, 4 - в ис­ходном состоянии при 100 и 150 °С соответственно

Рис. 6.12. Зависимость показателей прочности (а) и пластичности (б) сплава 1100 от флюенса нейтронов

Аустенитные коррозионно-стойкие стали и никелевые сплавы. Потоки быстрых нейтронов вызывают в аустенитных коррозионно-стойких сталях и никелевых сплавах изменение механических свойств, радиационное распухание и радиационную ползу­честь. На рис. 6.13 приведены данные о влиянии флюенса быстрых нейтронов и темпе­ратуры облучения на механические свойства аустенитных сталей. Это изменение, осо­бенно заметное при флюенсе более 5·10²⁵ нейтр./м² и температурах выше 500 °С, называется высокотемпературным радиационным охрупчиванием (ВТРО).

Рис. 6.13. Влияние облучения на предел текучести (а) и относительное удлинение (б) стали 08Х18Н10 при различных температурах облучения

Явление ВТРО сопровождается значительным снижением пластичности (полное удли­нение при разрыве может достигать лишь 0,1 %) и повышением предела текучести материа­ла. Длительная прочность, сопротивление усталости и сопротивление ползучести при этом также существенно уменьшаются (до половины исходного значения у сталей типа 12X18Н9).

Объясняется ВТРО радиационным стимулированием изменений свойств на границах зерен, приводящих к образованию трещин. Лучшей сопротивляемостью ВТРО обла­дают аустенитные стали, легированные молибденом и ниобием, например 0Х16Н15М3Б. Однако это улучшение имеет место при ограниченном флюенсе нейтронов. Так, оболоч­ки ТВЭЛ из стали 0Х16Н15М3Б имеют при 700 °С относительное удлинение всего око­ло 0,8 % при флюенсе 8,5·10²⁶ нейтр./м². Повысить остаточную пластичность и прочность при высоком флюенсе быстрых нейтронов можно легированием аустенитных коррози­онно-стойких сталей титаном, бором, кремнием. Малую склонность к ВТРО имеют ста­ли ферритного и мартенситного классов.

Радиационное распухание проявляется при флюенсе более 10²⁶ нейтр./м² в интер­вале температур облучения 0,3-0,55 Т_пл металла, что обычно соответствует рабочему диапазону конструкционного материала. Для аустенитных коррозионно-стойких сталей радиационное распухание может достигать больших значений - (30-40) % при флюенсе (1,5-2,5)·10²⁷ нейтр./м². Механизм распухания объясняется накоплением в процессе облучения избыточных вакансий и зарождением в металле вакансионных скоплений, имеющих вид сфериче­ских микропор. Центрами зарождения пор явля­ются атомы примесей, атомы гелия, образующе­гося при взаимодействии нейтронов с никелем, хромом, железом.

На рис. 6.14 и 6.15 приведены зависимости ра­диационного распухания некоторых сталей и спла­вов от флюенса быстрых нейтронов и температуры. Действенным дополнительным средством, умень­шающим распухание аустенитных сталей, является поверхностный наклеп материала в результате де­формации изделия при комнатной температуре. При флюенсе быстрых нейтронов (1,2— 1,4)·10²⁷ нейтр./м² увеличение степени холодной деформации с 20 до 30 % для стали типа 08Х17Н13М2Т приводит к снижению распухания с 15 до 4 % при температу­рах облучения 550-600 °С. Высоконикелевые спла­вы типа нимоник (40—45 % Ni), а также хромистые коррозионно-стойкие стали ферритного и ферритно-мартенситного классов (12-17 % Сr, ≤ 0,5 % Ni) имеют меньшее распухание. Однако повышение содержания никеля приводит к усилению ВТРО. Для устранения этого недостатка используют дис­персионное упрочнение и сложное легирование ни­келевых сплавов молибденом, титаном, алюмини­ем, бором, ниобием, кремнием.

Рис. 6.14. Влияние облучения на радиационное распухание сталей:

1 - 08Х18Н10Т; 2 - 03Х16Н15М3Б;

3-0Х16Н15М3Б (модифицированная);

4-12X13

Рис. 6.15. Влияние температуры на радиационное распухание сталей и сплавов:

1 - ферритная сталь; 2 - высоконикеле­вые сплавы; 3 - сталь типа 0817Н13М2Т холоднодеформированная (20 %); 4 - аустенитная коррозионно-стойкая модифи­цированная сталь

С механизмом вакансионного распухания свя­зана и радиационная ползучесть — свойство посто­янного деформирования материала под нагрузкой при облучении быстрыми нейтронами при темпе­ратурах, когда не проявляется термическая ползу­честь (300-500 °С). Скорость радиационной ползу­чести пропорциональна флюенсу и приложенному напряжению:

ν_р.п. = ВσR

где ν_р.п. - скорость радиационной ползучести, ч^-1; σ - напряжение, Па; В - эмпирический коэффициент, равный 2·10^-12 для стали 03Х16Н15М3Б и 0,83·10^-12 для стали 08Х18Н10Т; R - скорость накопления радиационных повреждений, смещ./(ат-ч).

Число радиационных повреждений зависит от флюенса и спектра нейтронов. Для типичного спек­тра энергетического реактора на быстрых нейтронах флюенсу, равному 1,67·10²⁷ нейтр./м² .соответству­ет 100 смещ./ат. Материалы с низкой склонностью к радиационному распуханию имеют малую ско­рость к радиационной ползучести.

Чистые металлы, керамики и керметы. Сравнение зависимостей радиационного распухания от отношения температуры испытания к температу­ре плавления для некоторых чистых металлов при­ведено на рис. 6.16. Ниобий, молибден, цирконий, тантал, имеющие ОЦК решетку, обладают повы­шенной стойкостью против радиационного распу­хания. Напротив, никель (ГЦК решетка) оказыва­ется более склонным к радиационному распуханию.

Рис. 6.16. Зависимость радиацион­ного распухания чистых металлов от температуры облучения при флюенсе нейтронов 3·10²⁵ нейтр./м²

Керамики и керметы (А1₂О₃, МgО, ZrО₂, А1—А1₂О₃; В₄С - коррозионно-стойкая сталь) более стабильны, чем металлы и сплавы. Радиационное распухание и радиацион­ная ползучесть у них проявляются слабее.

Графит обладает способностью эффективно замедлять нейтроны; у него отличные теплофизические свойства, хорошая механическая прочность при высоких температу­рах, относительно легкая обрабатываемость. Применяемый в реакторных установках графит получают искусственно в процессе графитизации нефтяного кокса. Природный графит обладает большим количеством примесей и не может быть использован как замед­литель нейтронов. Графит применяют для создания газоплотных конструкций, покрытий.

Получают его методом пропитки под высоким давлением углеродсодержащей жид­костью искусственно полученного графита и последующей графитизации. Газоплотным оказывается и пиролитический углерод, получаемый в виде отложений на нагретой поверхности углеводородного газа (метана, бензола). Все искусственные сорта графита обладают высокой анизотропией свойств, связанной с выстраиванием частиц кокса при изготовлении брикетов и графитизации отложений из газовой фазы.

Нейтронное облучение повышает прочность на сжатие, твердость и модуль упругости графита. В то же время нейтронное облучение уменьшает теплопроводность при высоких температурах, приводит к нестабильности размеров, уменьшает пластичность, вызывает на­копление энергии в графите. Последние качества важны для выбора конструктивных решений.

Влияние флюенса наибольшее при невысоких температурах (до 200 ºС). При флюенсе нейтронов более 10²⁴ нейтр./м² теплопроводность графитовых образцов снижается в 50 раз (рис. 6.17). Уменьшение теплопроводности (электропроводности) связано с возникновением дефектов кристаллической структуры, индуцируемых нейтронным потоком.

Рис. 6.17. Зависимость относительной теплопроводности графита от температуры облучения и флюенса тепловых нейтронов

Изменение размеров графита зависит от направления (вдоль или поперек оси продавли­вания), флюенса и температуры. Первоначальное (при уме­ренном флюенсе) уменьшение размеров сменяется их уве­личением. С ростом температуры изменения размеров гра­фита снижаются и при температурах выше 350 °С объем многих образцов сокращается. Изменение размеров анизо­тропного графита от флюенса быстрых нейтронов при раз­личных температурах в направлении, параллельном и пер­пендикулярном оси продавливания, показано на рис. 6.18.

Рис. 6.18. Зависимость изменения размеров образцов продав­ленного, почти изотропного графита, вырезанных параллельно (а) и перпендикулярно (б) оси продавливания, от флюенса быстрых нейтронов и температуры облучения:

1- 550-600 °С; 2 - 360-400 °С

Уменьшение пластичности является следствием ра­диационного упрочнения графита. Снижение пластично­сти приводит к образованию трещин.

Важна способность графита накапливать энергию деформации в кристаллической решетке как следствие радиационных дефектов. Выделяющаяся в виде теплоты накопленная энергия приводит к резкому повышению температуры. Зависимость изменения накопленной энер­гии от флюенса и влияние отжига на ее уменьшение ил­люстрирует рис. 6.19.

Рис. 6.19. Зависимость изме­нения полной накопленной энергии ∆Е_п в графите от флю­енса тепловых нейтронов:

1 - для облучения при 30 ºС; 2 - после отжига в течение 5 ч при 1250 ºС; 3 - после обжига при 2000 °С

ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ

Экономически обоснованный выбор материала

Правильный выбор материала для конкретного изде­лия является исключительно важной задачей. Он произ­водится с учетом целого ряда критериев. При этом тех­нические критерии выбора материала определяются усло­виями эксплуатации изделия. Они определяют комплекс механических свойств (прочность, упругость, твердость, пластичность, вязкость), а в ряде случаев и требования к специальным свойствам (коррозионная стойкость, жаро­стойкость, жаропрочность, износостойкость, радиацион­ная стойкость и др.). Способ изготовления изделий опре­деляет требования к технологическим свойствам матери­ала (ковкость, литейные свойства, обрабатываемость резанием, свариваемость). Если изделие должно подвер­гаться термической обработке, следует также учитывать прокаливаемость и закаливаемость.

Приведенные требования накладывают определенные ограничения на выбор материала. Если они оказывают­ся достаточно жесткими, то возможный выбор ограничи­вается весьма узкой группой материалов. При меньшей жесткости требований выбор становится более широким. В любом случае, когда возможны различные варианты решения задачи выбора материала, окончательный ответ должен дать экономический анализ вопроса. Исходными данными для этого служат цены материалов. Однако выбор наиболее дешевого материала далеко не всегда будет оптимальным. Экономия также может быть полу­чена за счет следующих факторов.

1. Использование более прочного материала. Это дает возможность уменьшить размеры изделия, т.е. позволя­ет снизить расход материала на единицу готовой про­дукции. Уменьшение размеров также способствует снижению затрат на транспортирование изделий. Кро­ме того, появляется возможность повысить мощность и производительность оборудования, изготовленного из более прочных материалов.

2. Применение более технологичного материала, позво­ляющего применять более экономичные методы из­готовления и обработки изделий. При этом экономия может быть получена как непосредственно за счет сни­жения себестоимости изготовления, так и за счет сни­жения расхода материала благодаря уменьшению от­ходов и брака.

3. Применение материала с более длительным сроком службы, что приводит к повышению долговечности го­тового изделия.

4. Использование материалов, способных работать в бо­лее тяжелых условиях (при более высоких нагрузках, более высоких температурах, в более агрессивной сре­де). Применение таких материалов при изготовлении различных машин и оборудования позволяет изме­нить рабочие параметры машин (например повысить давление или температуру), что приводит к повыше­нию производительности и соответственно сниже­нию себестоимости единицы работы или продукции. Перечисленные факторы связаны прежде всего с по­вышением качества используемого материала. Более ка­чественный материал, является как правило, и более дорогостоящим, так как улучшение качества сопровожда­ется увеличением затрат на производство материала. Правильный выбор материала должен учитывать как экономический эффект от повышения качества, так и увеличение стоимости материала. Для этого производит­ся сравнительный расчет экономической эффективности применения различных материалов, по результатам ко­торого и делается окончательный выбор. Только если увеличение цены перекрывается полученным экономи­ческим эффектом, применение более дорогостоящего материала целесообразно. Методика определения эконо­мической эффективности здесь не рассматривается, так как является предметом специальных курсов. Приведем некоторые примеры.

Для строительных конструкций могут быть примене­ны как углеродистые, так и низколегированные стали. Низколегированные стали обеспечивают по­вышение предела текучести приблизительно в 1,5 раза по сравнению с углеродистыми. Благодаря этому масса кон­струкций снижается на 20-50 %. При этом себестоимость проката из низколегированных сталей на 15-20 % выше, чем из углеродистых. Отсюда видно, что себестоимость низколегированных сталей возрастает в меньшей степе­ни, чем достигается экономия из-за увеличения прочно­сти. Но не только этим обусловлена эффективность при­менения низколегированных сталей. В отличие от угле­родистых сталей, они не склонны к хрупким разрушениям при температуре ниже -40°С. Это обеспе­чивает высокую надежность и долговечность конструк­ций. Таким образом, применение низколегированных строительных сталей экономически выгодно.

В хромоникелевых коррозионностойких сталях при эксплуатации при 450-850°С развивается межкристаллитная коррозия. Для уменьшения склонности к коррозии стали дополнительно легируются тита­ном или в них снижают содержание углерода. Это делает сталь более дорогостоящей. Однако удорожание оправ­дывается значительно более длительным сроком службы таких сталей. В том случае, когда рабочая температура не превышает 400°С, использование более дорогостоящих сталей становится экономически не оправданным.

Целесообразность применения пластмасс диктуется техническими соображениями. Свойства пластмасс с од­ной стороны делают их незаменимыми, а с другой часто не позволяют им конкурировать с металлическими мате­риалами. Если же применение пластмасс по техническим соображениям возможно, оно обычно является экономи­чески эффективным. Благодаря малой плотности пласт­массы в 4 раза снижается материалоемкость изделий. Затраты на производство пластмассовых изделий значи­тельно меньше, чем на производство металлических. Это происходит вследствие хорошей технологичности пласт­масс: производство пластмассовых изделий происходит путем прессования, литья или выдавливания, а металли­ческие изделия производятся литьем или обработкой давлением, путем механической и термической обработ­ки с большим числом операций. Часто применение пла­стмасс в машинах и оборудовании приводит к уменьше­нию затрат на смазку, ремонт, повышению надежности, увеличению срока службы и т. д. Благодаря всему этому себестоимость пластмассовых изделий в 2-3 раза ниже себестоимости аналогичных металлических.