Экспериментально-теоретические и методологические основы аналитического определения радиационных изменений материалов защиты ядерных установок

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АНАЛИТИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАДИАЦИОННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ МАТЕРИАЛОВ ЗАЩИТЫ ЯДЕРНЫХ УСТАНОВОК

А.В. Денисов

МГСУ

Представлены экспериментально-теоретические и методологические основы методов аналитического определения радиационных изменений материалов защиты ядерных установок

The article provides the experimental - theoretical and methodological bases of methods of analytical definition of radiating changes of materials of protection of nuclear installation.

На материалы радиационной защиты, в качестве которых в основном используются бетоны, воздействуют ионизирующие излучения и повышенные температуры. В связи с этим у материалов радиационной защиты, особенно ядерных реакторов, могут происходить значительные радиационные и термические изменения объема, свойств, выделение воды и газовыделение.

Изменения материалов радиационной защиты могут превышать допустимые значения. В связи с этим использование тех или иных материалов в радиационной защите возможно только в том случае, если эти изменения у рассматриваемых материалов в тех же условиях известны из экспериментов или могут быть предсказаны аналитически и не превысят допустимых величин. При этом аналитическое определения (прогнозирования) радиационных изменений материалов радиационной защиты представляет наибольшую важность, так как экспериментально исследовать все многообразие материалов, которые могут применяться в радиационной защите в широком диапазоне возможных условий облучения практически не возможно.

Важность прогнозирования радиационных изменений материалов радиационной защиты в настоящее время усиливается.

Во-первых, в период проектирования и строительства многих ядерных установок не было достаточной информации о влиянии различных факторов и условий облучения на поведение материалов при облучении и длительном нагревании. Это обстоятельство требует проведения проверки технического состояния и уточнения ресурса работы конструкций защиты действующих ядерных установок. Особенно это важно в случае решения о продлении эксплуатации существующих ядерных установок.

Во-вторых, при проектировании современных ядерных установок, особенно с учетом расширения географии строительства и стремления использовать в защите местные материалов, поэтому возрастает необходимость оценки радиационно-термических изменений и ресурса работы материалов радиационной защиты проектируемых ядерных установок. В настоящее время известно, что радиационные изменения даже материалов одного наименования при одинаковой радиационной и термической нагрузке могут отличаться до 30 раз за счет различий в минеральном составе и структуре материала.

На кафедре Строительства ядерных установок Московского государственного строительного университета с участием автора в период с 1970 года проведен большой цикл расчетно-теоретических и экспериментальных исследований радиационной стойкости материалов радиационной защиты, обеспечившие получить экспериментально-теоретические и методологические основы аналитического определения радиационных изменений материалов защиты ядерных установок, практические методы расчета радиационно-термических изменений материалов радиационной защиты.

Основное внимание при проведении этих исследований уделялось созданию методов аналитического определения радиационно-термических изменений материалов радиационной защиты путем теоретической разработки и экспериментального апробирования и константного обеспечения моделей, описывающих процессы радиационно-термических изменений этих материалов.

При разработке моделей для описания процессов радиационно-термических изменений материалов радиационной защиты (бетонов и их составляющих - заполнителей, минералов, вяжущих веществ) принимали следующие основные условия и положения:

1.Основной практический интерес представляют изменение (в основном увеличение - расширение) размеров и объема, изменение (в основном уменьшение) механических (прочности и упругости) материалов, выделение воды и газов.

2.Изменения материалов при облучении могут быть разделены на радиационные (вызванные смещением атомов материала при облучении) и на термические (вызванные воздействием сопутствующего облучению нагревания).

3.Термические изменения происходят в основном в начальный период облучения, а затем стабилизируются до конца облучения. Радиационные изменения в основном накапливаются постепенно и если насыщаются, то в конечный период облучения.

4. При образовании в микроструктуре радиационных дефектов объем и размеры преимущественно увеличиваются. При выделении из материалов воды и газов объем и размеры преимущественно уменьшается.

5. Механизм и термических, и радиационных изменений материалов радиационной защиты (бетонов и их составляющих) на уровне взаимодействия слагающих материал компонентов аналогичны и включают:

-появление значительных напряжений и образование трещин вследствие несовместимости деформаций составляющих материал компонентов ;

- присутствие остаточных после растрескивания напряжений;

-освобождение связанной с материалом воды, а также ее удаление и взаимодействие с веществом;

- частичное или полное превращение материалов в результате полиморфного превращение или разложения.

6. Все разновидности структур материалов сводятся к двум их основным разновидностям: зернистой и цементированной;

7. Радиационные и термические изменения размеров и объема материалов в основном складывается из деформаций слагающих их компонентов и деформаций, происшедших за счет растрескивания.

8. Составляющие материалы компоненты, наиболее расширяющиеся при облучении, являются основным источником их радиационного и термического расширения и дают основной вклад в величину возникающих в них микроструктурных напряжений (сжатия наиболее расширяющихся компонентов и растяжения остальных). Эти напряжения ограничивают развитие радиационных и термических деформаций наиболее

расширяющихся компонентов, но одновременно вызывают растрескивание материала и поэтому релаксируют. В таком случае величину радиационного и термического изменения объема материала можно связать с величиной изменения размеров и объема компонентов, имеющих наибольшие свободные деформации, уменьшенной на величину их деформаций под действием сжимающих микроструктурных напряжений.

9. Реальная величина растягивающих напряжений стр не может превышать прочности материала на растяжение (приблизительно в 10 раз меньшей чем на сжатие) и поэтому эти напряжения (какими бы большими при расчете в упругой стадии они не были) релаксируют вследствие растрескивания и поддерживаются на уровне прочности материала на участке между трещинами. Хотя по мере растрескивания, когда расстояние между трещинами уменьшается до размера зерна, прочность материала на участке между трещинами в соответствии с теорией прочности Вейбулла возрастает пока не достигнет прочности отдельных кристаллов на растяжение Яр.кр. При этом релаксируют и сжимающие напряжения в соответствии с соотношением между ними.

10 Напряженное состояние компонентов, имеющих наибольшие радиационные и термические деформации с достаточной для практики точностью можно рассматривать как изотропное объемное сжатие включающей эти компоненты сферы напряжением стсж в среде, окруженной сферической матрицей, сложенной остальными компонентами и подверженной воздействию растягивающих напряжений стр. Отличие рассматриваемого напряженного состояния от истинного может быть учтено путем использования приведенного к изотропному объемного содержания наиболее деформируемых компонентов.

11 Определение величин напряжений в элементах указанной выше модели в соответствии, например с решением задачи Лямэ, ограничено моментом образования трещин. Реальная величина растягивающих напряжений стр не может превышать прочности материала на растяжение (приблизительно в 10 раз меньшей чем на сжатие) и поэтому эти напряжения (какими бы большими при расчете по формулам задачи Лямэ они не были ) релаксируют вследствие растрескивания и поддерживаются на уровне прочности материала на участке между трещинами. Хотя по мере растрескивания, когда расстояние между трещинами уменьшается до размера зерна, прочность материала на участке между трещинами в соответствии с теорией прочности Вейбулла возрастает пока не достигнет прочности отдельных кристаллов на растяжение Яр.кр. При этом релаксируют и сжимающие напряжения в соответствии в соотношением между ними, вытекающим из решения задачи Лямэ.

12. Величина Кркр определяется теорией прочности Гриффитса, а между длиной критической трещины и размером зерен кристаллов слагающих материал минералов, а также между поверхностной энергией и модулем упругости кристаллов имеет место пропорциональность.

13. Изменение показателей механических и теплофизических свойств материалов происходит как в результате изменения этих свойств у слагающих их компонентов, так и вследствие растрескивания, однако влияние растрескивания более значительно и может быть описано аналогично влиянию на эти свойства пористости.

14. Трещины, определяющие изменение показателей механических и теплофизических свойств, до момента начала полного разрушения материала имеют постоянную длину, соизмеримую среднему размеру зерен кристаллов слагающих материал минералов у материалов зернистой структуры или толщине цементирующих прослоек у материалов цементированной структуры. Такие трещины есть в материале и в ис-

ходном состоянии. В процессе же радиационно-термического воздействия по мере растрескивания увеличивается их количество и ширина раскрытия.

15. Радиационно-термические изменения слагающих материал компонентов в случае если они сами являются полиминеральными, полифазными, поликристаллическими материалами также описываются рассматриваемой моделью и могут быть рассмотрены без учета того, что они входят в состав материала.

16. Радиационно-термические изменения компонентов, отличающихся относительно фиксированным химическим, фазовым составом и структурой (кристаллов минералов, стекла и вяжущих веществ при определенном возрасте, В/Ц, виде и количестве добавок) в первом приближении практически однозначно определяются величиной флюенса, видом и энергией излучения, температурой облучения и нагревания. В связи с этим радиационно-термические изменения этих материалов могут описываться эмпирическими зависимостями без детального рассмотрения всех сложных процессов, происходящих на атомарном и межкомпонентном уровне.

К настоящему времени разработаны и экспериментально апробированы модели и основанные на них методы аналитического определения радиационных и термических изменений минералов и вяжущих веществ по данным об условиях облучения, горных пород и керамики по данным об изменении слагающих их минералов, а также бетонов и растворов по данным об изменениях слагающих их компонентов (заполнителей и вяжущего) [2-20].

В частности на основании принятых физико-математических моделей разработаны и апробированы следующие конкретные аналитические методы:

-методы аналитического определения радиационных изменений размеров, объема и коэффициента теплопроводности кристаллов минералов, слагающих заполнители бетонов, по данным об условиях облучения (флюенс и спектр нейтронов, температура облучения) [3, 6, 9, 11 ];

-методы аналитического определения радиационных и термических изменений объема, прочности, коэффициента теплопроводности и газовыделения портландце-ментного камня по данным об условиях облучения (флюенс и спектр нейтронов, температура облучения) [7, 9, 11];

-методы аналитического определения радиационных изменений объема, механических свойств и коэффициента теплопроводности материалов заполнителей бетонов (горных пород и керамики) по данным об изменении слагающих их кристаллов минералов [4, 6, 9, 11];

-методы аналитического определения радиационных изменений объема, механических свойств [2, 5, 8, 9 ] и коэффициента теплопроводности [11] бетонов по данным об изменениям их составляющих ( заполнителей и цементного камня);

-метод аналитического определения радиационного газовыделения из бетонов радиационной защиты и их составляющих по данным о водосодержании, условиях облучения и радиационных нагрузках [13, 14]

Экспериментальное апробирование и определен параметров и разработанных моделей выполнено на основании эспериментальных данных о радиационных деформациях, изменении структуры и свойств 34 разновидностей минералов, 35 горных пород, 24 составов бетонов и растворов, 19 составов вяжущих веществ после облучения их до флюенсов повреждающих нейтронов 1018-1021 нейтрон/см2 (ёра=0.0006-1.5) при температурах облучения от 30 до 450 °С [1, 2, 4, 6, 7, 8].

Для использования разработанных методов для аналитического определения радиационно-термических изменений бетонов радиационной защиты необходимы следующие данные:

-спектр нейтронов и гамма излучения, воздействующих на материал;

- величины флюенса нейтронов и потока гамма излучения, воздействующие на материалы;

-номинальная и максимальная (аварийная) температуры эксплуатации;

-технологический состав рассматриваемого бетона радиационной защиты;

-минеральный состав, структура, плотность и физико-механические свойства материалов заполнителей бетонов.

Основные результаты исследований по аналитическому определению радиационных изменений бетонов и их составляющих частично опубликованы в работах [1-20].

Литература

1. Дубровский В. Б. Радиационная стойкость строительных материалов. М.: Стройиздат,

1977.

2. Музалевский Л. П., Пергаменщик Б. К. О закономерностях объемных изменений бетона под действием облучения. // Труды МИСИ. Материалы и конструкции защит ядерных установок. 1977. № 146. С. 110-126.

3. Денисов А. В., Дубровский В. Б., Кривоконева Г. К. Радиационные изменения минералов заполнителей бетонов и их аналитическое определение // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Проектирование и строительство. 1984. Вып. 2 ( 18 ). С. 31 - 44.

4. Денисов А. В., Дубровский В. Б. Аналитическое определение радиационного изменения свойств материалов заполнителей бетонов // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Проектирование и строительство. 1984. Вып. 2 (18). С. 45 - 57.

5. Музалевский Л. П. Прогнозирование степени изменения прочности и радиационных деформаций бетона. // Защита от ионизирующих излучений ядерно-технических установок: Труды Третьей Всесоюзной научной конференции по защите от ионизирующих излучений ядерно-технических установок ( Тбилиси, 27-29 октября 1981 г. ). Тбилиси: Изд-во ТГУ, 1985. Т. 5. С. 116-125.

6. Денисов А. В. Радиационные изменения заполнителей тяжелых бетонов и методы их аналитического определения: Дис. ... канд. техн. наук. М., 1986.

7. Денисов А. В., Дубровский В. Б., Ершов В. Ю. и др. Радиационно-температурные изменения свойств портландцементного камня бетона и зависимости для их прогнозирования. // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Проектирование и строительство. 1989. Вып. 2 . С. 20 - 35.

8. Музалевский Л. П. Радиационные изменения тяжелых бетонов и метод их аналитического определения: Дис. ... канд. техн. наук. М., 1989.

9. Денисов А. В., Дубровский В. Б., Музалевский Л. П. Прогнозирование радиационных изменений неорганических строительных материалов Вопросы атомной науки и техники. Сер. Проектирование и строительство. 1990. Вып. 3 . С. 98 - 102.

10. Денисов А. В. Обобщенная модель и методы для аналитического определения радиа-ционно-термических изменений неорганических строительных материалов и их составляющих // Седьмая Российская научная конференция. Защита от ионизирующих излучений ядерно-технических установок. Тезисы докладов. 22-24 сентября 1998 года. г. Обнинск.

11. Денисов А. В. Аналитическое определение радиационно-термических изменений теплопроводности материалов радиационной защиты. // Седьмая Российская научная конференция. Защита от ионизирующих излучений ядерно-технических установок. Тезисы докладов. 22-24 сентября 1998 года. г. Обнинск.

12. Денисов А. В. Аналитическое определение радиационно-термических изменений бетонов радиационной защиты и их составляющих. Состояние проблемы и задачи дальнейших исследований.// Восьмая Российская научная конференция. Радиационная защита и радиационная безопасность в ядерных технологиях. Тезисы докладов. 17-19 сентября 2002 года. г. Обнинск.

13. Газовыделение из компонентов бетона при реакторном облучении. А.В. Денисов, Б.С. Кирьянов, Л. И. Мосеев, Л. П. Музалевский, Е.Б. Сугак. // Вопросы атомной науки и техники. Сер.: Проектирование и строительство. 1986. Вып. 2. С. 109- 119.

14. Денисов А. В. Прогнозирование радиационного газовыделения из бетонов радиационной защиты и их составляющих. // Восьмая Российская научная конференция. Радиационная защита и радиационная безопасность в ядерных технологиях. Тезисы докладов. 17-19 сентября 2002 года. г. Обнинск.

15. Денисов А. В. Аналитическое определение радиационных изменений материалов радиационной защиты. Сборник трудов Московского государственного строительного университета. 2006.

16. Денисов А. В., Богданов А. В. О необходимости и возможности оценки радиационно-термических изменений материалов радиационной защиты проектируемых и действующих ядерно-технических установок. Тезисы докладов на II научную конференцию «Научно-инновационное сотрудничество» по Межотраслевой программе сотрудничества между Минобразования России и Минатомом России. 2003 г., часть 2. Москва, Из-во МИФИ, 2003. с . 144-145.

17. Денисов А. В., Дубровский В. Б., Соловьев В. Н. Радиационная стойкость материалов на основе минеральных и органических составляющих. Тезисы докладов на II научную конференцию «Научно-инновационное сотрудничество» по Межотраслевой программе сотрудничества между Минобразования России и Минатомом России. 2003 г., часть 2. Москва, Из-во МИФИ, 2003. с. 146-147.

18. Денисов А. В. Аналитическое определение радиационно-термических изменений материалов радиационной защиты проектируемых и действующих ядерно-технических установок. Тезисы докладов на IX Российской научной конференции «Радиационная защита и радиационная безопасность в ядерных технологиях». 24 - 26 октября 2006 г., г. Обнинск.

19. Денисов А. В., Богданов А. В. О возможности применения бетонов на различных заполнителях в радиационной защите атомных станций. Тезисы докладов на IX Российской научной конференции «Радиационная защита и радиационная безопасность в ядерных технологиях». 24 - 26 октября 2006 г., г. Обнинск.

20. Денисов А. В. Аналитическое определение радиационных изменений материалов радиационной защиты. Московский государственный строительный университет факультет Теплоэнергетического строительства кафедра Строительства ядерных установок. Сборник трудов. 2006.

Ключевые слова: экспериментально-теоретические основы; методологические основы; методы аналитического определения радиационных изменений; материалы защиты; ядерные установки.

Key words: The experimental - theoretical bases; methodological bases; methods of analytical definition of radiating changes; materials of protection; nuclear installations.

г. Москва, Россия, Ярославское ш., д. 26, Кафедра СЯУ 8. 499 183 26 74

den-al-v@inbox.ru

Статья представлена Редакционным советом «Вестник МГСУ»