СПОСОБ ПОДГОТОВКИ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ К ИСПОЛЬЗОВАНИЮ В НЕЙТРОННЫХ ПОЛЯХ
METHOD OF PREPARING MATERIALS AND ARTICLES FOR USE IN NEUTRON FIELDS

Изобретение относится к способам технологической обработки материалов и изделий, предназначенных для использования в активной зоне атомных реакторов.
3
При работе материалов в активной зоне атомных реакторов одним из характерных отрицательных явлений является увеличение размеров деталей, происходящее из-за уменьшения плотности материалов (радиационное распухание) или эффекта переноса массы (радиационный рост). Первопричиной этих явлений является образование при нейтронной бомбардировке атомной структуры точечных дефектов: вакансий и внедренных атомов. Причинами изменения размеров деталей могут быть: изменение характера сил связи в окружении точечного дефекта - примеры: ВеО увеличивает объем на 16%, алмаз на ~50%, GdAlO на 6% (Косенков В.М. Рентгенография в реакторном материаловедении. Ульяновск: изд. УлГУ, 2006, 168 с.); возникновение вакансионной пористости - пример: нержавеющая сталь, увеличение объема на 20% (C.Cawthorue, E.Y.Fulton. Voids in irradiated stainless. Nature, 216 (1966), №5115, p.575); радиационный рост циркония (Г.П.Кобылянский, А.Е.Новоселов. Радиационная стойкость циркония и сплавов на его основе. Справочные материалы по реакторному материаловедению. Под. Ред. В.А.Цыканова. Димитровград: ГНЦ РФ НИИАР, 1996, 175 с.).
В результате этих явлений нарушается возможность нормального обслуживания реактора, уменьшаются зазоры, рассчитанные на нормальное охлаждение и теплосъем тепловыделяющих элементов (твэлов), происходит формоизменение изделий.
Разрабатывались приемы борьбы с распуханием и радиационным ростом материалов, основанные на создании нарушений структуры материалов (увеличение плотности дислокации, ошибок упаковки, уменьшение размеров областей когерентного рассеяния), являющихся стоками для первичных радиационных дефектов.
Известен способ подготовки нержавеющих сталей путем их холодной деформации на 20-30% (Красноселов В.А. и др. Влияние предварительной термической и механической обработки на распухание нержавеющей стали ОХ16Н15М3Б. Атомная энергия. - 1983, т.54, вып.2, с.111-114).
Недостатком этого способа является ограниченная область его применения только для пластически деформируемых материалов и лишь на стадии подготовки заготовок для изготовления изделий.
Известен способ понижения радиационного распухания реакторных материалов, заключающийся в воздействии на материал, заключенный в толстостенную ампулу сохранения, взрывной волной от заряда взрывчатого вещества (гексогена), окружающего эту ампулу, приводящем к его деформации (Kosenkov V.M., Vorobjev S.A., Kolesnikov A.V. Radiation swelling decrease by means of explosive wave. J. of Nucl. Mater., 1998, v.258-263, p.l809-1811).
Недостатком этого способа является необходимость заключать материал (главным образом, керамический порошок) в толстостенную ампулу, что значительно ограничивает область его применения.
Заявляемое изобретение позволяет расширить область его использования - для повышения радиационной стойкости проводить подготовку к использованию в нейтронных полях не только заготовок материалов (пластины, трубы, ленты), но и готовых изделий (например, тепловыделяющие элементы, дистанционирующие решетки), а также проводить обработку локальных мест изделий.
Указанный технический эффект достигается тем, что способ подготовки материалов и изделий к использованию в нейтронных полях включает воздействие на материалы и изделия, приводящее к их деформации. По этому способу при подготовке материалов и изделий их подвергают воздействию струей жидкости, имеющей скорость не менее 1000 м/с.
Струю жидкости формируют преимущественно электрическим разрядом или импульсными электрическими разрядами в закрытой камере с узким соплом, из которого она извергается после создания внутри камеры высоковольтного разряда с напряжением 8÷30 кВ.
В качестве жидкости используют преимущественно воду. В отличие от других жидкостей, вода наиболее устойчивое соединение и не создает экологических проблем.
Воздействию высокоскоростной струи жидкости подвергаются материалы (пластины, ленты) или изделия (твэльные трубы, чехлы сборок элементов активной зоны и т.д.). В результате такого воздействия на глубине до 2 мм существенно измельчается микроструктура (до областей когерентного рассеяния 100÷200 нм), возникает большая концентрация дефектов кристаллической решетки, дислокации. Границы областей когерентного рассеяния, дислокации являются эффективными стоками для первичных радиационных дефектов (вакансий и внедренных атомов). Таким образом, возникающие при нейтронной бомбардировке точечные дефекты исключаются из процесса образования вторичных дефектов - устойчивых скоплений радиационных дефектов. Что и приводит к уменьшению радиационного распухания, радиационного роста по сравнению с материалом, облученным в тех же условиях, таким же флюенсом нейтронов, но не прошедшем предлагаемую подготовку.
Для каждого конкретного материала подбираются оптимальные параметры струи жидкости по ее скорости и по размеру обрабатываемой поверхности. Большие поверхности изделий можно обрабатывать, сканируя струю по изделию. Одно место поверхности можно обрабатывать неоднократно электрическим разрядом или импульсными электрическими разрядами, добиваясь необходимого количества создаваемых в структуре дефектов. При скорости струи меньше 1000 м/с произведенное искажение кристаллической структуры не достаточно для значимого уменьшения радиационного роста и повреждаемости.
Величину напряжения разряда для формирования струи выбирают экспериментально в зависимости от применяемой жидкости и необходимого эффекта воздействия струи на материал. При напряжении менее 8 кВ эффект изменения микроструктуры может не достигаться, т.к. данного напряжения не достаточно для формирования струи минимально необходимой скорости. При напряжении более 30 кВ может произойти разрушение обрабатываемого изделия. Струя жидкости может быть сформирована другими воздействиями, например взрывной волной от заряда взрывчатого вещества (гексогена).
В качестве жидкости может быть использована любая другая, близкая по свойствам с водой.
Пример реализации предлагаемого способа.
26
-2
Для демонстрации эффективности предлагаемого способа подготовки материалов и изделий к использованию в нейтронных полях активной зоны атомного реактора был выбран циркониевый сплав Э-110. Образцы размером 35×6,5×0,8 мм подвергали воздействию высокоскоростной струей воды, которая извергалась из сопла наполненной водой закрытой камеры после создания в ней высоковольтного электрического разряда (8-12 кВ). Скорость струи при этом составляла 1000-1500 м/с. Прошедшие подготовку образцы вместе с исходными облучались в реакторе БОР-60 в ячейке Д-43 третьего ряда реактора в течение 42,3 эффективных суток при температуре ~320°C флюенсом нейтронов 0,8·10 м (Е>0,1 МэВ). В результате облучения исходные образцы показали увеличение длины на 0,03-0,06%. Облучавшиеся совместно с ними образцы после проведенной подготовки не изменили свою длину в пределах погрешности измерения (±0,01%).
Таким образом, заявляемое изобретение обеспечивает повышение радиационной стойкости материалов и изделий, предназначенных для работы в активной зоне атомных реакторов.
Внедрение предлагаемого способа подготовки материалов и изделий активной зоны атомных реакторов осуществляется на последней стадии технологического процесса их изготовления, т.е. не предусматривает изменения этих отработанных технологических процессов.