Радиационный рост гафния

Способность изделий сохранять целостность, форму, геометрические размеры в процессе реакторного облучения – важнейший критерий их радиационной стойкости. Для материалов с ГПУ-решеткой, к которым относится и гафний, основное формоизменение связано с радиационным ростом.

Под радиационным ростом понимают изменение размеров, формы изделий без изменения объема в отсутствие приложенного напряжения при облучении энергетическими частицами. Он связан с кристаллографической и микроструктурной анизотропией материалов. Для поликри-сталлических структур с зернами, близкими к равноосным, деформация радиационного роста

— в направлении d определяется из выражения:

Ed = SGdFn,           (1)

где S – структурный коэффициент, зависящий от особенностей микроструктуры материала и температуры облучения; F – флюенс нейтронов; n – показатель степени; G_d – текстурный фактор (индекс) роста, связанный с текстурным коэффициентом f соотношением G_d =1–3 f. ( f определяется рентгеноструктурными методами).

мировании и эволюции структуры радиационных дефектов, являющихся в свою очередь соответствующими стоками для точечных дефектов.

Следует отметить, что в настоящее время не существует количественной модели радиационного формоизменения, которая бы адекватно учитывала структурные изменения, происходящие в гафнии под действием реакторного облучения. Можно лишь проследить некоторые особенности и закономерности поведения исследованных материалов. При этом важным является изготовление материалов одинакового состава по единой технологической схеме, т.к. коэффициент S в формуле (1) является решающим фактором, влияющим на ход радиационного формоизменения, и его значительное изменение связано, главным образом, с легированием, термообработкой и деформационной схемой производства. Именно исходная структура и температура реакторного облучения в основном обуславливают характер радиационной повреждаемости и эволюции радиационных дефектов.

РЕАКТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГАФНИЕВЫХ ОБРАЗЦОВ

1.    Облучение в реакторах СМ

Нами исследовались прутки из гафния марки ГФЭ-1 диаметром 9,6 мм и высотой 50 мм, изготовленные по различным технологиям. Все образцы имели равноосные зерна размером 14-20 мкм.

Микротвердость образцов из трех первых партий составила 2200–2400 МПа, у последней – 2100–2200 МПа. Рентгеноструктурными исследованиями были построены обратные полюсные фигуры. Был рассчитан текстурный коэффициент f (см. табл. 1), характеризующий эффективную долю базисных плоскостей в осевом направлении образцов. В зависимости от технологии изготовления текстурный коэффициент изменяется от 0,117 до 0,33.

Таблица 1. Основные характеристики образцов из гафния марки ГФЭ-1 для исследования радиационного роста

№ п/п	Схема деформации	Температура отжиг а, К	Размер зерна, мкм	Микротвердость, МПа	Текстурный коэффициент
1	Ковка	1073	20	2200-2400	0,19
2	Обжатие и ковка	1076	16	2200-2400	0,33
3	Двойное горячее прессование	1423	14	2200-2400	0,02
4	Горячая экструзия	1123	14	2100-2200	0,17

Рис. 1. Изменение длины образцов после облучения в реакторе СМ-2: 1,2,3,4 – партии образцов

Образцы облучались в реакторе СМ-2 до максимального флюенса быстрых нейтронов 7,8·1021 см–2 (E>0,1 МэВ) при температуре на поверхности образцов 593–603 К, в центре – 643–668 К. Исследования облучённых образцов проводили с извлечением из реактора через 53, 160, 191, 237 и 347 эфф. суток. Таким образом, на одних и те же образцах были получены экспериментальные данные по изменению длины и диаметра образцов (рис. 1). Следует отметить имеющийся разброс в полученных результатах. С учетом этого разброса и ошибки измерений не всегда возможно корректно выявить преимущества той или иной технологии изготовления образцов гафния. Во всех случаях увеличение длины не превышало 0,38%. Наблюдается тенденция к уменьшению скорости радиационного роста при увеличении времени облучения и флюенса нейтронов.

Кривые плавно переходят на плато без стадии перелома и резкого увеличения скорости радиационного роста. Диаметры образцов гафния при этом практически не изменились, хотя следовало бы ожидать их уменьшения на величину до ~ 0,1%. Это связывается как с ошибкой измерений, так и образованием оксидной пленки на поверхности образцов.

Электронно-микроскопические исследования также не выявили принципиальных различий в дислокационных структурах у облученных образцов гафния, изготовленных по четырем различным технологиям. Плотность дислокационных петель с-типа у них находится на уровне ~3·1013 м-2, размер до 115 нм.

В реакторе СМ-3 облучались трубки из гафния марки ГФИ-1. Они имели диаметр от 8,2 до

13,5 мм, толщину стенки 2,0 мм и высоту 50 мм. Максимальный флюенс быстрых нейтронов составил 2,4·1022 см-2, температура облучения 583ё603 К. После облучения измеряли высоту и диаметры образцов, по полученным результатам определяли деформацию радиационного роста (рис. 2). Увеличение длины образцов гафния происходит в две стадии:

• 1)    – сравнительно интенсивного роста до флюенса быстрых нейтронов (5ё7)·10²² см^-2 (E>0,1 МэВ);

• 2)    – стадию насыщения при более высоких флюенсах быстрых нейтронов.

Полученные результаты радиационного роста прутков гафния после облучения в исследовательском реакторе СМ-2 хорошо коррелируют между собой, несмотря на различия в технологических схемах получения металла и

Рис. 2. Деформация роста образцов гафния марки ГФИ-1 в зависимости от флюенса быстрых нейтронов(реактор СМ-2) [1]

Рис. 3. Зависимость изменения диаметров макетов ПЭЛа от флюенса нейтронов(F_0,1) по высоте активной зоны реактора БОР-60 ( о – труба Hf 0 9,6 мм; • – пруток Hf 0 8,2 мм): а – облучение в течение одной микрокампании; б – облучение в течение четырех микрокампаний

изготовлении изделий. По-видимому, следует ожидать существенных различий в радиационном росте при более высоких повреждающих дозах. Если проводить аналогию с цирконием, как структурным и химическим аналогом гафния, должен появиться и перелом кривой, связанный с резким возрастанием скорости радиационного роста (рис. 3).

2.    Облучение в реакторе БОР-60

Обнаружено сильное влияние температуры облучения в совокупности с более жестким потоком нейтронов на радиационный рост гафния при облучении в ядерном реакторе на быстрых нейтронах БОР-60. Облучали прутки диаметром 8,2 мм и трубы диаметром 9,6ґ2,0 мм длиной около 100 мм из гафния марки ГФЭ-1 [2].

Облучение проводили в среде натрия, температура которого составляла 603-613 К на входе в активную зону и 630-640 К на выходе из зоны (в реакторе СМ-2 температура теплоносителя не превышала 560-570 К). Расчетная температура образцов гафния варьировалась в пределах 630ё670 К. Максимальная плотность потока быстрых нейтронов составляла (0,9ё1,0)·1015 см-2·с-1(E>0,1 МэВ), максимальный флюенс быстрых нейтронов – 3,4·1022 см-2 (E>0,1 МэВ). Одновременно облучали две одинаковые сборки. Первую сборку выгрузили после одной микрокампании, вторую – четырех.

После реакторного облучения наблюдалось анизотропное изменение размеров образцов гафния 3. При достижении флюенса быстрых нейтронов 1,1·1022 см-2 (E>0,1 МэВ) длина прутков увеличилась на (0,6±0,1) %, а диаметры уменьшились, соответственно, на 0,7% и 1,1%. При достижении флюенса 3,4·1022 см-2 (E>0,1 МэВ) диа- метры прутка и трубы уменьшились на 2,4% и 3,1%. Измерить длину этих образцов не удалось из-за их искривления. Искривление произошло вследствие отсутствия достаточного аксиального зазора в облучательном устройстве. Прогиб составлял около 3 мм. С учетом прогиба и исходного аксиального зазора, максимальное увеличение длины макетов было оценено величиной не менее 3%.

Таким образом, в данной работе представлены результаты исследования радиационного роста гафния после облучения в реакторах СМ-2, СМ-3 и БОР-60. Исследована зависимость линейного и объёмного радиационного роста гафниевых образцов от флюенса нейтронов и температуры облучения. Отмечены стадии радиационного роста: быстрый рост до флюенса (5–7)·1022 см-2 и последующее насыщение.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ.