Структурно-физические аспекты радиационного распухания и вакансионного порообразования в конструкционных материалах атомных энергетических установок

На правах рукописи

ЗВЯГИН ВЛАДИМИР БОРИСОВИЧ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Санкт-Петербург

2009

Защита состоится "____" декабря 2009 г. в ____ часов на заседании диссертационного совета Д 212.229.19 в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет" (ГОУВПО "СПбГПУ") по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29, лабораторно-аудиторный корпус, кафедра машин и технологии обработки металлов давлением.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор технических наук,

профессор В.Н. Востров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТы
Актуальность темы исследования. Основополагающим фактором, определяющим уровень развития материального производства, является состояние энергетики. Проблемы энергетики особенно обострились сейчас в условиях глобального финансово-экономического кризиса. Но именно энергетика может и должна сыграть ключевую роль в преодолении кризиса и дальнейшем развитии мировой экономики.

После многовекового использования различного рода ископаемого топлива: каменного угля, нефти и нефтепродуктов, человечество уже ищет новые, более оптимальные источники энергии. Такие источники, как солнце, ветер и вода уже давно изучаются в качестве альтернативы ископаемому топливу и даже частично эксплуатируются. Между тем, ядерная энергетика больше чем другие виды энергетики привлекает к себе внимание всех государств. Ныне, около 20% электроэнергии в мире вырабатывается на атомных энергетических станциях (АЭС). Из общего числа АЭС в мире, 204 находятся в Европе, в том числе в России - 10, 122 в США и Канаде, 108 в Азии, и лишь две в Африке.

Развитие атомной энергетики в России определено Концепцией федеральной целевой программы "Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007-2010 годы и на перспективу до 2015 года" утвержденной Постановлением Правительства Российской Федерации от 6 октября 2006 года № 605.

В настоящее время на 10 атомных станциях России эксплуатируется 31 энергоблок установленной мощностью 23242 МВт, из них 15 реакторов с водой под давлением (9 ВВЭР-1000, 6 - ВВЭР-440), 15 канальных кипящих реакторов (11 РБМК-1000 и 4 ЭГП-6), 1 реактор на быстрых нейтронах. Доля выработки электроэнергии атомными станциями в России -16%.

К числу требований, предъявляемых к конструкционным материалам АЭУ, относится необходимость сохранения в процессе длительной эксплуатации высокого уровня механических и физических свойств основных узлов ядерных и термоядерных энергетических установок.

Создание новых конструкционных материалов или оценка их пригодности к специфическим условиям эксп­луатации являются весьма сложными научны­ми и инженерными задачами.

Особую сложность представляют разработка или выбор конструкционных материалов для узлов активной зоны (оболочек твэлов, чехлов технологических каналов и др.) реакторов на быстрых нейтронах, так как флюенс нейтронов на эти материалы составля­ет до 310²³ нейтр/см² при рабочих температурах 300-700 °С. В таких температурно-временных условиях радиационное распу­хание аустенитных хромоникелевых коррозионностойких сталей и сплавов, являющихся основными конструкционными материа­лами активных зон атомных энергетических установок, может до­стигать 10-30%.

В еще более сложных условиях будут работать конструкционные материалы основных узлов термоядер­ных энергетических установок. Если даже не рассматривать взаи­модействие плазмы с поверхностью материала первой стенки, то и тогда остается проблемой предотвращение в нем опасных объем­ных изменений, снижения механических, физических и других свойств.

Практический интерес к явлению радиационного распухания обусловлен опасностью последствий радиационного распухания конструкционных материалов активной зоны быстрых реакторов и материалов первой стенки термоядерных реакторов: во-первых, может уменьшиться проходное сечение каналов с теплоносителем, что изменит тепловой режим работы реактора; во-вторых, может произойти заклинивание пакетов с твэлами с вытекающими отсюда серьезными последствиями; в-третьих, развитие пористости может значительно ухудшить механические и физические свойства конструкционных материалов и ускорить процесс разгерметизации оболочек твэлов. Таким образом, радиационное распухание и другие отмечен­ные неблагоприятные последствия нейтронного облучения мо­гут стать определяющими в создании работоспособных и эконо­мичных быстрых реакторов и перспективных термоядерных энер­гетических установок.

Достигнутые к настоящему времени успехи в изучении явлений вакансионного порообразования и радиационного распухания связаны с работой научных коллективов, возглавлявшихся А.Д. Амаевым, Г.Г. Бондаренко, С.Н. Вотиновым, И.В. Горыниным, В.Ф. Зеленским, Б.А. Калиным, Ю.В. Конобеевым, И.С. Лупаковым, И.М. Неклюдовым, А.М. Паршиным, П.А. Платоновым, В.В. Рыбиным, В.В. Сагарадзе, В.К. Шамардиным, В.А. Цыкановым и другими советскими, российскими и зарубежными учеными.

Выявление природы и механизма зарождения вакансионных пор, а также способов ослабления или подавле­ния радиационного распухания является важнейшей проблемой, имеющей не только теоретическое, но и прикладное значение при изучении прочности конструкционных материалов.

Связь работы с научными программами. Работа выполнена на кафедре Материаловедения и технологии материалов и покрытий ГОУВПО " Северо-Западный государственный заочный технический университет".

Диссертационное исследование Звягина В.Б. выполнялось в рамках прикладных госбюджетных НИР: Г-7-5.1-91 "Повышение физико-механических свойств и эксплуатационных характеристик металлических материалов" (1991-1995г.г.), Г-7-23-96 "Повышение физико-механических свойств и эксплуатационных характеристик металлических материалов" (1996-2000г.г.), Г-7-3-2001 "Повышение физико-механических свойств и эксплуатационных характеристик материалов различного назначения" (2001-2005г.г.), Г-7-01-06 "Комплексное исследование материалов различного назначения с целью оптимизации их физико-механических и служебных свойств" (2006-2011 г.г.).

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Обобщить исследования по проблеме деградации гарантированных свойств металла в конструкции атомных энергетических установок. Определить основные факторы, обуславливающие деградацию свойств металла и установить связь со структурными превращениями в конструкционных материалах в процессе производства и эксплуатации изделий.

2. Определить влияние нейтронного облучения и особенности, при этом, распада твердых растворов на служебные характеристики конструкционных материалов.

3. Установить закономерности изменения механических свойств сталей и сплавов с особенностями легирования и старения в широком интервале температур.

4. Обобщить и проанализировать широкий комплекс исследований по проблеме радиационного распухания конструкционных материалов. Определить основные пути подавления или ослабления радиационного распухания.

5. Исследовать влияние структурно-фазовых превращений на процессы вакансионного порообразования и радиационного распухания в распадающихся пересыщенных твердых растворах сталей и сплавов с твердорастворным упрочнением и дисперсионно-твердеющих.

6. Исследовать физические механизмы влияния микролегирования редкоземельными элементами на склонность облученных материалов к радиационному распуханию.

Достоверность и обоснованность основных положений и выводов диссертационной работы обеспечивается тщательной обработкой и обобщением большого объема экспериментальных данных по изучаемой проблеме.

- закономерности изменения механических свойств сталей и сплавов с особенностями легирования и старения в широком интервале температур;

- закономерности структурных превращений, протекающих в сталях и сплавах на различных стадиях распада твердых растворов, усиливаемых радиационным воздействием;

- определяющее влияние несоответствий, возникающих при распаде пересыщенных (метастабильных) твердых растворов, а также ин­тенсивность распада твердых растворов на повышение способности твердых тел к рекомбинации разноименных точечных радиаци­онных дефектов;

- физические механизмы влияния микролегирования бором и редкоземельными элементами (иттрий, скандий и др.) на склонность облученных материалов к радиационному распуханию;

- установленные температурные зависимости радиационного распу­хания и вакансионного порообразования в аустенитных сталях типа X15Н15;

- разработанный ряд аустенитных сталей с высокой сопротивляемостью радиационному распуханию;

- явление аномальной рекомбина­ции разноименных радиационных дефектов, влия­ние на него различных факторов и теоретическая оценка величины эф­фекта снижения распухания в условиях аномальной рекомбинации на примере простой модели распадающегося твердого раствора.

- впервые установлено, что повышение прочностных свойств (σ_в, σ_0,2), сниже­ние пластичности ( ,) и увеличение твердости в процессе длительного старения сталей типа 04X15Н15М3Т2Ч и подобных композиций происхо­дит задолго до появления обособленных вторичных интерметаллидных фаз, т. е. изменение механических свойств обусловлено процессами, протекающими на ранних стадиях распада твердого раствора от за­рождения сегрегатов, до потери когерентности вторичной фазы. Это сви­детельствует о важной роли процессов предвыделения вторичных фаз в изменении комплекса механических и физических свойств;

- автором установлены температурные зависимости радиационного распу­хания и вакансионного порообразования в аустенитных сталях типа X15Н15;

- проведенными исследованиями отвергается установившееся мне­ние, что аустенитным хромоникелевым сталям и сплавам (ГЦК-структура), в отличие от сталей и сплавов с ОЦК - и ГПУ - структурами, свой­ственна высокая склонность к радиационному распуханию и вакансион­ному порообразованию;

- впервые показано, что при введении в хромоникелевые аустенитные стали с умеренным содержанием никеля (стали типа 12-23, 15-20, 15-15) 1,6-3,0 % титана, и особенно при одновременном микролегиро­вании их иттрием и цирконием, создаются условия значительного ос­лабления или даже подавления радиационного распухания и вакансионного порообразования;

- впервые показано, что с увеличением содержания титана в аустенитных хромоникелевых сталях и обеспечения при этом развитых процессов предвыделения интерметаллидных фаз типа Ni₃Ti с высокой плотнос­тью их зарождения, достигается как максимум твердения (и упрочнения), так и наибольшая сопротивляемость стали к радиационному рас­пуханию и вакансионному порообразованию. В таком случае интен­сивность дисперсионного твердения является показателем принуди­тельной рекомбинации точечных радиационных дефектов и мерой ос­лабления радиационного распухания и вакансионного порообразования сплавов;

- сформулированы общие черты явления аномальной рекомбина­ции разноименных радиационных дефектов, влия­ния на него различных факторов и дана теоретическая оценка величины эф­фекта снижения распухания в условиях аномальной рекомбинации на примере простой модели распадающегося твердого раствора.

Научная значимость результатов исследований по теме диссертации определяется тем, чем они развивают научные представления о вакансионном порообразовании и радиационном распухании, раскрывают сущность механизмов и закономерностей их протекания, способствуют развитию науки и служат базой для дальнейших исследований в области радиационной повреждаемости конструкционных материалов.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования фундаментальных связей состава и строения материалов на разных уровнях (макро, микро, нано, атомном) с комплексом физико-механических эксплуатационных свойств с целью обеспечения надежности и долговечности материалов и изделий и установление закономерностей физико-химических и физико-механических процессов, происходящих на границах раздела в гетерогенных структурах открывают новые возможности поиска и разработки принципов легирования сталей и сплавов.

Результаты научно-исследовательской работы "Установление явления ослабления ионного распыления в распадающихся твердых растворах" решением Научного совета по проблеме "Радиационная физика твердого тела"от 26 декабря 1986 г. признаны важнейшим достижением за 1986 г. в области радиационной физики твердого тела и зарегистрированы в отделении общей физики и астрономии АН СССР.

Установленное явление аномальной рекомбина­ции разноименных радиационных дефектов - благодаря формированию не­однородных упругих полей, которые экранируют дислокации и обеспечивают встречу, а затем и рекомбинацию межузельных атомов с вакансиями, указывает на возмож­ность целенаправленного создания радиационностойких конструкционных материалов и управления процессами радиационного дефектообразования в конструкциях атомных энергетических установок.

Практическая значимость. Полученные результаты важны для понима­ния физических процессов, протекающих в металлах и сплавах под облуче­нием и возможных причин деградации физико-механических свойств мате­риалов изделий активных зон реакторов на быстрых нейтронах и внутри­корпусных устройств реакторов на тепловых нейтронах.

Даны рекомендации по возможности применения в качестве перспективных конструкционных материалов для оболочек тепловыделяющих элементов транспортных и стационарных атомных энергетических установок высоконикелевых сплавов типа 03Х20Н45М4БЧ, 03Х20Н45М4БРЦ и экономнолегированной никелем стали 04X15H15M3T2Ч на основании оценки их сопротивляемости низкотемпературному радиационному охрупчиванию, радиационному распуханию, радиационной ползучести, коррозионным повреждениям в сравнении со сталью 03Х16Н15М3Б.

Кроме того, использование материалов исследования в учебном процессе позволяет готовить специалистов с высшим образованием в соответствии с современными представлениями о физической сущности явлений, происходящих в материалах в условиях производства и эксплуатации. Эти знания позволят им целенаправленно выбирать конструкционные материалы и использовать их на практике.

Основные положения диссертационного исследования опубликованы в научных работах соискателя и обсуждены на 10 научно-практических конференциях и семинарах. В этих работах отражены основные идеи и принципы диссертационного исследования.

О пригодности конструкционных материалов к конкретным услови­ям работы различного оборудования и машин судят по комплексу свойств, полученных при исследовании образцов, а теперь уже и по результатам дополнительного проведения полунатурных и натур­ных испытаний. Пригодность сталей и сплавов для работы в составе тепловых энергетических установок оценивается по комплек­су характеристик, полученных при исследовании ползучести, дли­тельной прочности и пластичности, а также релаксации напряжений в интервале возможных рабочих температур, коррозионной стой­кости и жаростойкости в рабочих средах, усталости в условиях цикли­ческих нагрузок, теплосмен и контакта с рабочими средами.

Для оценки работоспособности конструкционных материалов основных узлов активной зоны атомных реакторов и конструкций первой стенки и бланкета термоядерных установок требуется еще больший объем эксперимента и проведения стендовых испытаний.

Это обуслов­лено не только тем, что нейтронное облучение ускоряет процессы пол­зучести, усиливает временную зависимость длительной прочности, резко снижает кратковременную и длительную пластичность в широ­ком интервале температур, повышает критическую температуру вязко-хрупкого перехода, снижает коррозионную стойкость, вызывает распухание и вакансионное порообразование, но и тем, что в результа­те протекания (n, )- и (n, р) - реакций возникают трансмутантные элементы (например, газообразные и легкоплавкие примеси), способ­ствующие проявлению гелиевого и водородного охрупчивания, газово­го распухания и др.

Исследования разрушенных изделий показывают, что в тепловой и ядерной энергетике большинство повреждений не сопровождалось пластической деформацией.

В ряде случаев на работоспособности конструкций и машин весьма отрицательно сказываются отступления от технологических процессов в производстве полуфабрикатов при металлургическом переделе, в про­цессе сварки, при гибке и раздаче труб и других операциях.

Отечественный и зарубежный опыт эксплуатации показывает, что наличие преждевременных разрушений в значительной мере нужно связывать с тем, что уже в процессе конструирования и изготовления произошла "деградация" гарантированных свойств металла в конст­рукции.

Весьма существенно сказывается на работоспособности изделий и отступление от расчетных условий эксплуатации (перегревы металла, нарушение водного режима и т. д.). Таким образом, в ре­альных условиях эксплуатации сопротивляемость разрушению узлов и конструкций может резко понижаться, несмотря на "оптимальные" запасы прочности, принятые при конструировании.

Следует указать на то, что иногда допускаются и просчеты в выборе конструкционного материала для конкретных условий эксплуатации. В таком случае работоспособность конкретного материала в конструкции и его долго­вечность будут определяться не только его механическими свойствами, заложенными в расчете, но и особенностями конструкции, качеством изготовления и надлежащими условиями эксплуатации.

Рассмотрено влияние на работоспособность конструкционных материалов таких важных структурно-физических факторов, как равномерность распада твердых растворов и объемная дилатация на границе раздела "формирующаяся вторичная фаза - матрица".

Равномерность распада твердого раствора приводит к созданию в матрице относительно правильного чередования частиц карбидов или интерметаллидов, т. е. к образованию типа макрорешетки из этих фаз. При таком распаде, в отличие от неоднородного, избирательного, твер­дый раствор в процессе температурно-временных циклов под нагруз­кой (жаропрочные материалы, теплостойкость инструмента и т. д.) все время остается относительно изотропным и обеспечивает возможность равномерности протекания пластической деформации.

Одновременно с этим обеднение твердого раствора легирующими элементами (разупрочнение его) облегчает работу границ зерен в условиях ползучести, так как появляется возможность реализации течения внутри них. Это замедляет развитие межзеренных повреждений во времени и обес­печивает более высокую остаточную пластичность при разрушении.

Равномерность распределения первичных фаз и высокая однород­ность и плотность зарождения вторичных карбидных, интерметаллидных и других фаз являются необходимым, но не единственным ус­ловием, обеспечивающим ослабление повреждаемости конструкцион­ных материалов.

Выполнение требований по обоснованному вы­бору конструкционных материалов, оптимальному проектированию и конструированию, строгому соблюдению технологических процес­сов изготовления полуфабрикатов и изделий из них и соблюдение регламента эксплуатации приведет к тому, что явление "деградации свойств металла в конструкции" потеряет свой смысл.