?

Log in

No account? Create an account

Previous Entry | Next Entry

Становление атомной энергетики в свое время потребовало создания целого большого пласта материаловедения. Если взять атомный реактор, то к стандартным проблемам прочности при нагреве к любому материалу добавятся требования по определенному взаимодействию с радиационными потоками внутри реактора. Самыми важными оказываются свойства взаимодействия с нейтронами - и с точки зрения нейтронной физики всего реактора (поглощает ли этот конструктивный металл нейтроны? Замедляет? Отражает? Активируется?) и с точки зрения самого материала. Что происходит в материале под воздействием радиации?

Испытания на разрыв облученного образца в "горячей камере". Лаборатория ORLN.

- Быстрые частицы "ломают" решетку, вызывая перескоки атомов материала по ним. Это приводит к уменьшению пластичности и росту хрупкости.
- Нейтроны могут поглощаться различными атомами, вызывая их трансмутацию - превращения в более тяжелый элемент (например Fe56 + и -> Mn57). Чаще всего образовавшийся изотоп радиоактивен, и он распадается через какое-то время. Так происходит активация материала - насыщение его радиоактивными изотопами
- Эти радиоактивные изотопы могут распадаться с образованием альфа-частицы. Альфа-частицы не уходят из материи, а рекомбинируются в гелий. Гелий накапливается внутри материала, вызывает его коробление и растрескивание. Аналогичные процессы (в меньшем масштабе) происходят с накоплением водорода.
- Для очень быстрых налетающих нейтронов возможен прямой развал атома конструкционного материала, с образованием множества осколков и сильно радиоактивного остатка.
- Активация материала приводит к изменению его химического состава и разнообразным коррозионным процессам. Особенно нелегко приходится в местах сварки и спаев


Распухание образца из нержавеющей стали под влиянием нейтронов


Универсальным мерилом того, как далеко заходят эти разрушающие процессы является величина с.н.а. - смещений на атом (или dpa в англоязычной литературе). Она означает, сколько в среднем на каждый атом придется актов взаимодействия с излучениями. Характерные величины для ядерных реакторов - от 5 до 60 с.н.а.


Рассчетные радиационные повреждения выгородки реактора ВВЭР-1000 в с.н.а.


Радиационная стойкость различных марок сталей. ЭИ/ЧС - специальные реакторные стали.

Материаловеды придумали множество сплавов, сталей и неметаллических материалов для работы в таких условиях. Их, кстати, часто отличает сумасшедшая точность состава, речь идет о точности до 0,01% содержания легирующих примесей. На сегодня 60 с.н.а. является пределом для современных ядерных материалов, причем такие материалы еще и ограничены по рабочей температуре, и не могут, например, использоваться в горячих быстрых реакторах.


Различные по содержанию кислорода и железа циркониевые сплавы. Обратите внимания, что области допустимых значений допантов ~500 ppm, т.е. 0,05%

Однако для будущих быстрых реакторов деления и для термоядерных реакторов нужны материалы, способные стоять до 150 (а лучше до 300) с.н.а. без разрушения, а в случая термояда - стоять не просто в потоке нейтронов, но в потоке сверхэнергичных нейтронов. Кстати, одной из основных проблем этого раздела материаловедения является медленных набор повреждающих доз - 20 с.н.а в год в лучших реакторах, т.е. что бы набрать 160 с.н.а., надо оставить сборку в реаторе на 8 лет.


Перспективные реакторные материалы и программа их облучения в реакторе БОР-60.

Для того, что бы создавать и проверять материалы будущих термоядерных реакторов нужны специфические источники термоядерных нейтронов. Тут не подойдут ни высокопоточные исследовательские ядерные реакторы, ни спаляционные (ускорительные) установки. Поэтому в 2000х годах Европа и Япония приняли программу создания специальной исследовательской лаборатории IFMIF/EVEDA для испытаний перспективных материалов.


Схема IFMIF/EVEDA


И план здания. Найди человека в этой "лаборатории".

Установка IFMIF представляет из себя два небольших, но сильноточных ускорителя дейтронов (ионов дейтерия) до энергии примерно 40 МЭв и литиевой мишени (а именно льющегося потока жидкого лития, толщиной 25 мм). Ускоритель довольно уникальный большим током (125 мА), выдаваемым в постоянном (а не импульсным) режиме. Ускоритель состоит из традиционных элементов - плазменного источника ионов, фокусирующих систем (LEBT, MEBT, HEBT), радиочастотного ускорительного модуля с электродинамическим удержанием ионов (RFQ) и радиочастотного ускорительного модуля с электромагнитным удержанием и резонаторными полостями (SRF Linac).


Ускоритель IFMIF, его элементы и разработчики

Ускоренные дейтроны от двух одинаковых ускорителей взаимодействуют с литием по реакции D + Li -> 2He + n. При этом образовавшийся нейтрон очень похож на термоядерный по своей энергии. Литиевая мишень, кстати, тоже довольно уникальная конструкция, занимающаяся очисткой лития от продуктов деления и формирующая завесную мишень.


Схема литиевой мишени...


И ее прототип в натуральную величину!

Получившиеся нейтроны прилетают на испытательный объем, который имеет камеры с разной мощностью нейтронного потока. В самой высокоинтенсивной камере (объемом всего поллитра, что тем не менее позволяет испытывать множество небольших образцов одновременно) создается поток 10^18 н*сек/см^2 - это в 200 раз больше, чем на самых высокопоточных ядерных реакторах. Есть камеры и с меньшей интенсивностью, которые, однако, позволяют тестировать уже целые экспериментальные конструкции с охлаждающей жидкостью и т.п.



Спектральная мощность нейтронного потока в перспективном термоядерном реакторе DEMO, и лаборатории IFMIF

Вторая часть лаборатории (EVEDA)- это горячие камеры для всяких исследований того, что же случилось с облученными образцами, как изменились их механически, физические и химические свойства.


Облучательные камеры IFMIF/EVEDA В центре HFTM скорость набора дозы быстрыми нейтронами будет составлять 60 сна в год.


Образцы материалов, которые будут испытываться в IFMIF. Всего в высокопоточную камеру можно загрузить до 1000 таких образцов.


И примерно вот такие испытательные горячие камеры для исследований облученных образцов.

На данный момент идет установка и поэтапный запуск оборудования (так - "голова" ускорителя, источник ионов уже во всю тестируется на рабочих режимах). Оборудование установки изготавливается как европейскими, так и японскими организациями.


Здание, где будет работать IFMIF/EVEDA

После запуска лаборатории в 2017 году в ней начнутся интенсивные исследования перспективных материалов для первой стенки, бланкета и других элементов ТЯР, "живущих" в самых тяжелых радиационных исследованиях. Возможно, именно здесь перспективные материалы типа ванадий-титановых сплавов или карбида кремния SiC перейдут из перспективных в утвержденные. Если их характеристики окажутся близки к ожидаемым, то промышленные токамаки могут стать заметно ближе, а многие из "бумажных" концепций ядерных реакторов деления (например travelling wave reactor) станут возможными.

Comments

( 20 comments — Leave a comment )
gray_bird
Aug. 1st, 2015 01:53 pm (UTC)
Интересно.
Всегда ядерное материаловедение вызывало изумление смешанное с искренним восхищением.
Сходные чувства вызвала бы действующая паровая машина построенная из льда.
lazy_flyer
Aug. 1st, 2015 01:55 pm (UTC)
Феерично!
stranst_drgn
Aug. 1st, 2015 02:01 pm (UTC)
у вас проде мелькало про наши аналогичные разработки? недавно читал, что сделали похожую установку.
tnenergy
Aug. 1st, 2015 02:06 pm (UTC)
Смотря что считать похожими. Я писал про МБИР, который тоже используется и для ядерного материаловедения. Ссылка на него в статье прям или по тэгу Росатом.

Но вот конкретно испытания материалов для термоядерных реакторов - это первая установка такого рода.
ardelfi
Aug. 1st, 2015 02:18 pm (UTC)
Интересно почему понадобилась реакция дейтрона с литием, чтобы получить нейтрон, ведь дейтрон легко разваливается на протон и нейтрон при упругом столкновении.
tnenergy
Aug. 1st, 2015 02:44 pm (UTC)
Не могу сейчас посмотреть, но дело, скорее всего в сечении реакции и в получаемой спектре. Классические спаляционные источники проще, но не подходят по спектру.
pz_true
Aug. 1st, 2015 02:34 pm (UTC)
очень интересно. Сам "краюшкой2 к материаловеденью причастен был. Помогал ПО писать для учета коррозионных процессов для газовиков.
спасибо.


Edited at 2015-08-01 02:41 pm (UTC)
victor_chapaev
Aug. 1st, 2015 03:26 pm (UTC)
Вместо Fe56 + и -> Mn57 должно бы быть Fe56 + и -> Fe57 -> Mn57 + e
tnenergy
Aug. 1st, 2015 08:12 pm (UTC)
Ну да, согласен. Вообще хорошо бы написать статью про нейтронные реакции с материалом, заодно и сам все запомню, но уж больно нудно.
(Deleted comment)
gipnomanul
Aug. 1st, 2015 04:46 pm (UTC)
Действие нейтронов опосредовано. А вот протоны привод
хрупкости напрямую.

Поэтому технологии модификации сплавов для работы в условиях протонного облучения подходят и для условий работы с с большими количествами водорода (в т ом числе жидкого). Но возиться приходится на всех стадиях производства Reducing Titanium Alloys Embrittlement at All Stages of Production for use Under Proton Irradiation Conditions http://www.scitechnol.com/reducing-titanium-alloys-embrittlement-at-all-stages-of-production-for-use-under-proton-irradiation-conditions-1ogp.php?aid=736
andrej_kraft
Aug. 1st, 2015 05:05 pm (UTC)
Читаю ваш блог затаив дыхание и разинув рот. Спасибо за ликбез.
tnenergy
Aug. 1st, 2015 08:10 pm (UTC)
Пожалуйста
khanid
Aug. 1st, 2015 06:05 pm (UTC)
Вот про воздействие на материалы знал несколько, но вот разбухание материала - для меня прямо-таки открытие. Не думал даже о таком.
thrasymedes
Aug. 1st, 2015 07:38 pm (UTC)
Заряженные частицы менее опасны, чем нейтроны, потому что поглощаются неглубоко или даже не долетают до конструкций ?
tnenergy
Aug. 1st, 2015 08:08 pm (UTC)
Заряженные частицы тоже разрушают кристаллические решетки только в путь. Но они не вызывают накопления водорода (нейтрон же распадается на протон и электрон), не вызывают трансмутации.

В целом, материаловеды в основном сосредоточены на нейтронах, гамма излучение повреждает материалы гораздо меньше.
ratnikov_vv
Aug. 2nd, 2015 06:47 am (UTC)
хотел спросить
а идут ли какие либо исследование по поводу Бор+протон реакций ?

я понимаю мысль наивная но если в плазму токомака запихать бора немного, то ядер водорода там много,
и реакция должна идти ?
tnenergy
Aug. 2nd, 2015 08:24 am (UTC)
Re: хотел спросить
>а идут ли какие либо исследование по поводу Бор+протон реакций ?

В плане практического применения - не думаю. Слишком невыгодная реакция: на преодоление кулоновского барьера тратится почти 1/3 энергетического выхода от реакции.

>я понимаю мысль наивная но если в плазму токомака запихать бора немного, то ядер водорода там много,
и реакция должна идти ?

Ну, какое-то количество реакций (в штуках) будет. Но для того, что бы получить положительный энерговыход на токамаке с этой реакцией нужна бета близкая к 1, а не 0,1, как сейчас.
alex_anpilogov
Aug. 2nd, 2015 02:33 pm (UTC)
Помню, помню.
Интересно, что для АЭС оказались более пригодны в некоторых применениях центробежно-литые трубы.
Масса дефектов решётки, как оказалось, легко адсорбирует гелий и осколки деления, не вызывая такой хрупкости, как у катанных или тянутых труб.
Никогда не забуду, как сдавал партию труб "ТВЭЛу". Все мозги выели. Но - сдал.
gipnomanul
Aug. 4th, 2015 03:18 pm (UTC)
Ну теперь хоть понятно где мозги потерял :)
А в катанных дислокационных дефектов больше, чем в литых. Так что для гелия есть место только в порах, поэтому даже порошковая металлургия с не 100%ной плотностью имеет некоторые шансы.
( 20 comments — Leave a comment )

Profile

tnenergy
Ядерная энергия

Latest Month

October 2017
S M T W T F S
1234567
891011121314
15161718192021
22232425262728
293031    
Powered by LiveJournal.com