Филиал «Институт атомной энергии» РГП НЯЦ

Филиал «Институт атомной энергии» РГП НЯЦ РК ОСНОВЫ РЕАКТОРНОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ Ученый секретарь ИАЭ НЯЦ РК, канд. техн. наук Дерявко И. И. г. Курчатов, 2015 г. 1

Филиал «Институт атомной энергии» РГП НЯЦ РК МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ – НАУКА, ИЗУЧАЮЩАЯ СОСТАВ, СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ И УСТАНАВЛИВАЮЩАЯ СВЯЗЬ МЕЖДУ НИМИ С практической точки зрения важнейшим в материаловедении явля- ется, конечно, изучение свойств материалов до и после каких-либо переделов исследуемых материалов (деформаций, закалок, отжигов, облучений и др. ). Используемые в материаловедении методы исследований: Основными методами изучения элементного и фазового состава ис- следуемых материалов являются химические, спектральные и рент- геновские методы. Основными методами изучения строения (структуры) исследуемых материалов являются методы оптической и электронной микроско- пии. Основными методами изучения свойств исследуемых материалов яв- ляются разнообразные методы испытаний (механические, коррози- онные, физико-механические, термические, электро- физические, радиационные и др. ). 2

Филиал «Институт атомной энергии» РГП НЯЦ РК 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИДЕАЛИЗИРОВАННОМ 2. (БЕЗДЕФЕКТНОМ) СТРОЕНИИ ТВЕРДОГО МАТЕРИАЛА 1. 1. Кристаллические и аморфные твердые материалы 1. 2. Бездефектная кристаллическая решетка 1. 3. Обозначения кристаллографических плоскостей и направлений 1. 4. Анизотропия свойств в идеальных монокристаллах 1. 5. Классификация кристаллов по типам сил связи 2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РЕАЛЬНОМ (ДЕФЕКТНОМ) СТРОЕНИИ ТВЕРДОГО МАТЕРИАЛА 1. 1. Поликристаллические материалы 1. 2. Поликристаллические материалы с текстурой 1. 3. Точечные дефекты в твердом материале 1. 4. Протяженные (линейные) дефекты в твердом материале 1. 5. Другие дефекты строения реального твердого материала 3. НЕКОТОРЫЕ ИЗ ПРИМЕРОВ МАТЕРИАЛОВЕДЧЕСКИХ ИССЛЕ- ДОВАНИЙ, ВЫПОЛНЕННЫХ В РАЗНЫЕ ГОДЫ В ОЭ ПНИТИ, ОЭ НПО «Луч» , ИАЭ НЯЦ РК, ДГП ИАЭ РГП НЯЦ РК, Отделении «ИАЭ» РГП НЯЦ РК и Филиале «ИАЭ» РГП НЯЦ РК 3

Филиал «Институт атомной энергии» РГП НЯЦ РК 1. ИДЕАЛИЗИРОВАННОЕ СТРОЕНИЕ ТВЕРДОГО МАТЕРИАЛА 1. 1. Кристаллические и аморфные твердые материалы и бездефектная (идеальная) кристаллическая решетка Двумерная бездефектная решетка Различие между кристаллическим и аморфным материалом, представленное путем сопоставления кривых «температура–время» 4

Филиал «Институт атомной энергии» РГП НЯЦ РК 1. ИДЕАЛИЗИРОВАННОЕ СТРОЕНИЕ ТВЕРДОГО МАТЕРИАЛА 1. 2. Бездефектная кристаллическая решетка Изображения 14 типов трехмерных (пространственных) решеток Браве 5

Филиал «Институт атомной энергии» РГП НЯЦ РК 1. ИДЕАЛИЗИРОВАННОЕ СТРОЕНИЕ ТВЕРДОГО МАТЕРИАЛА 1. 3. Обозначения кристаллографических плоскостей (hkl) и направлений [hkl] Примеры обозначений кристаллографических плоскостей (hkl) и нап- равлений [hkl] Примеры обозначений кристаллографических плоскостей (hkl) и нап- равлений [hkl] с малыми индексами Миллера 6

Филиал «Институт атомной энергии» РГП НЯЦ РК 1. ИДЕАЛИЗИРОВАННОЕ СТРОЕНИЕ ТВЕРДОГО МАТЕРИАЛА 1. 4. Анизотропия свойств в идеальных монокристаллах При переходе материала из аморфного состояния (1) в кристаллическое (2) возникает дальний поря- док в расположении атомов, а следовательно, и анизотрония свойств (зависимость свойств от кон- кретного кристаллографического направления [hkl]): на рисунке справа показано, как различаются плотности атомов в различных направлениях [hkl]. 1. 5. Классификация кристаллов по типам сил связи 1. Ионные кристаллы: в узлах находятся ионы разного знака, связь электроста- тическая, примеры – Na. Cl, Cs. Cl. 2. Атомные (ковалентные) кристаллы: в узлах находятся одинаковые атомы, связь осуществляется обменным взаимодействием электронов соседних ато- мов, примеры – С, Si, Ge, Te. 3. Металлические кристаллы: в узлах находятся ионы, а вокруг – газ из валент- ных электронов, примеры – Be, Na, Mg, Al, K, Ca, Rb, In, Sn, Li, Sr. 4. Молекулярные кристаллы: в узлах находятся молекулы-диполи, связь элект- ростатическая, примеры – H 2, N 2, Cl 2, Br 2, CH 4, CO 2, H 2 O, F 2, He, Ne, Ar, Kr, Xe. 7

Филиал «Институт атомной энергии» РГП НЯЦ РК 2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ РЕАЛЬНОМ СТРОЕНИИ ТВЕРДОГО МАТЕРИАЛА 2. 1. Поликристаллические материалы а – стандартные таблетки UO 2 с размером зерна 12 мкм и плотностью 96, 5 %; б – таблетки UO 2 с размером зерна 25 мкм и плотностью 97, 5 %; в – таблетки UO 2 с размером зерна 55 мкм и плотностью 97, 5 %. Микроструктура таблеток UO 2 c различным размером зерна и различной плотностью 8

Филиал «Институт атомной энергии» РГП НЯЦ РК 2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ РЕАЛЬНОМ СТРОЕНИИ ТВЕРДОГО МАТЕРИАЛА 2. 2. Поликристаллические материалы c текстурой а б в Бестекстурный (а) и текстурированный (б и в) бериллиевый материал 9

Филиал «Институт атомной энергии» РГП НЯЦ РК 2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ РЕАЛЬНОМ СТРОЕНИИ ТВЕРДОГО МАТЕРИАЛА 2. 3. Точечные дефекты в твердом материале Образование точечных дефектов в решетке реального моно- или поликристалла 10

Филиал «Институт атомной энергии» РГП НЯЦ РК 2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ РЕАЛЬНОМ СТРОЕНИИ ТВЕРДОГО МАТЕРИАЛА 2. 4. Протяженные (линейные) дефекты в твердом материале Плоское схематическое изобра- жение краевой и винтовой дис- локаций, а также их векторов Бюргерса (векторов невязки) Объемное схематическое изображение краевой и винтовой дислокаций (а так- же междоузельного атома и вакансии) 11

Филиал «Институт атомной энергии» РГП НЯЦ РК 2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ РЕАЛЬНОМ СТРОЕНИИ ТВЕРДОГО МАТЕРИАЛА 2. 5. Другие дефекты строения реальных твердых материалов Малоугловая граница нак- Схематическое изображение лона между субзернами двойникового дефекта Микроструктура (х1000) моно- кристалла Zr. C 0, 98 после трав- Схематическое изображение дефекта упаковки вычита- ления на дислокации ния (слева) и дефекта упаковки внедрения (справа) 12

Филиал «Институт атомной энергии» РГП НЯЦ РК 3. НЕКОТОРЫЕ ИЗ ПРИМЕРОВ ВЫПОЛНЕННЫХ МАТЕРИАЛОВЕДЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ 3. 1. Исследование работоспособности твэлов ЯРД, ЯЭДУ и ЯГДУ Внешний вид штатных твэлов ЯРД Схема конструкции ТК в районе АБ канала ао, нм Дозовая зависимость нарастания сжимающих r, мм напряже- Обнаружение неоднородности ний на поверхностях твэлов низкотемпературных радиационного распухания твэлов НС во входных НС при испытаниях на режиме ДР реактора ЯРД или 13

Филиал «Институт атомной энергии» РГП НЯЦ РК 3. НЕКОТОРЫЕ ИЗ ПРИМЕРОВ ВЫПОЛНЕННЫХ МАТЕРИАЛОВЕДЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ 3. 1. Исследование работоспособности твэлов ЯРД, ЯЭДУ и ЯГДУ Дозовые зависимости изменений параметров твэлов ЯРД при испытаниях на режиме РММ реактора ЯЭДУ 14

Филиал «Институт атомной энергии» РГП НЯЦ РК 3. НЕКОТОРЫЕ ИЗ ПРИМЕРОВ ВЫПОЛНЕННЫХ МАТЕРИАЛОВЕДЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ 3. 1. Исследование работоспособности твэлов ЯРД, ЯЭДУ и ЯГДУ Изменение прочности твэлов с различным содержанием урана после облучения различной длительности в азотных ампулах РА и РА-М при различных температурах (испытания твэлов на режиме РРМ реактора ЯГДУ) 15

Филиал «Институт атомной энергии» РГП НЯЦ РК 3. НЕКОТОРЫЕ ИЗ ПРИМЕРОВ ВЫПОЛНЕННЫХ МАТЕРИАЛОВЕДЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ 3. 2. Исследование структуры расплава кориума реактора ВВЭР-1000 после взаимодействия с водой В этих экспериментах кориум легководного реактора (с исходным составом: UO 2 + 13%Zr + 6%SS) после расплавления в ампуле АУП реактора ИГР сливался в холодную воду с высоты 1000 мм. Общий вид структуры Тонкая структура материа- Прослойка материала Тонкая структура материала кориума в многофаз- в трещине фрагмента материала кориума (х300) ной области (х1800) кориума (х600) в трещине (х6000) Элемент, % (мас. ) U O Zr Al Fe Cr Mn Si (в матрице) 70, 3 15, 1 13, 4 0. 9 0, 1 0, 2 0, 1 0, 01 (в трещине) 31, 4 26, 9 5, 5 2, 8 26, 4 0, 4 1, 4 5, 26 16

Филиал «Институт атомной энергии» РГП НЯЦ РК 3. НЕКОТОРЫЕ ИЗ ПРИМЕРОВ ВЫПОЛНЕННЫХ МАТЕРИАЛОВЕДЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ 3. 3. Исследование стойкости защитного покрытия в горячей воде 1 – регулятор температуры; 2 – датчик температуры; 3 – крышка стакана; 4 – стакан для образца; 5 – подставка; 6 – клапан; 7 – питательный бак; 8 – шланг; 9 – поплавок; 10 – нагревательная электрическая печь; 11 – крышка нагревного бака. Состояние пружины до и после имита- Устройство для длительных коррозионных ционных испытаний в горячей (75 о. С) испытаний деталей в горячей воде в течение 100 ч 17

Филиал «Институт атомной энергии» РГП НЯЦ РК 3. НЕКОТОРЫЕ ИЗ ПРИМЕРОВ ВЫПОЛНЕННЫХ МАТЕРИАЛОВЕДЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ 3. 4. Контроль коррозионного состояния деталей активной зоны реактора ИВГ. 1 М по их образцам-свидетелям Внешний вид стержневых бериллиевых образцов Кинетика коррозионного изменения масс бериллиевых образцов после 40 -летних реакторных испытаний 18

Филиал «Институт атомной энергии» РГП НЯЦ РК 3. НЕКОТОРЫЕ ИЗ ПРИМЕРОВ ВЫПОЛНЕННЫХ МАТЕРИАЛОВЕДЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ 3. 4. Контроль коррозионного состояния деталей активной зоны реактора ИВГ. 1 М по их образцам-свидетелям Кинетика коррозионных привесов у образцов-свидетелей из КВК-300 Образцы-свидетели 19

Филиал «Институт атомной энергии» РГП НЯЦ РК 3. НЕКОТОРЫЕ ИЗ ПРИМЕРОВ ВЫПОЛНЕННЫХ МАТЕРИАЛОВЕДЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ 3. 5. Исследование состояния макета первой стенки ИТЭР в условиях теплового нагружения Температурное поле макета первой стенки ИТЭР через 120 секунд после начала нагрева при плот- Один из изготовленных ности теплового потока 1, 5 МВт/м 2 макетов первой стенки 20

Филиал «Институт атомной энергии» РГП НЯЦ РК 3. НЕКОТОРЫЕ ИЗ ПРИМЕРОВ ВЫПОЛНЕННЫХ МАТЕРИАЛОВЕДЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ 3. 5. Исследование состояния макета первой стенки ИТЭР в условиях интенсивного теплового нагружения 10 мкм α-Cu(Be) γ-Be. Cu 50 мкм γ-Be. Cu Be 2 -x. Cu Be 2+x. Cu α-Be(Cu) Пробные испытания имитатора Микроструктура и фазовый состав материалов в макета первой стенки ИТЭР переходном слое на границе бериллия с бронзой в макете первой стенки после термических ис- пытаний в высокочастотной установке ВПЧ-100 21

Филиал «Институт атомной энергии» РГП НЯЦ РК 3. НЕКОТОРЫЕ ИЗ ПРИМЕРОВ ВЫПОЛНЕННЫХ МАТЕРИАЛОВЕДЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ 3. 6. Исследование влияния электронного облучения на совершенство структуры бериллия Изменение межплоскостного расстояния d 104, полуширины линии В 104 и отношения интенсивности линии к интенсивности фона от количества импульсов облучения 22

Филиал «Институт атомной энергии» РГП НЯЦ РК 3. НЕКОТОРЫЕ ИЗ ПРИМЕРОВ ВЫПОЛНЕННЫХ МАТЕРИАЛОВЕДЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ 3. 7. Исследование распыления поверхности бериллия сильноточным электронным пучком Образцы после 3 импульсов электронного облучения при ускоряющее напряжение 520 к. В слева – поверхность бестекстурного образца; в центре – поверхность, параллельная оси текстуры в образце; справа – поверхность, перпендикулярная оси текстуры в образце. Типичные морфологии облученных бериллиевых поверхностей трех типов 23

Филиал «Институт атомной энергии» РГП НЯЦ РК 3. НЕКОТОРЫЕ ИЗ ПРИМЕРОВ ВЫПОЛНЕННЫХ МАТЕРИАЛОВЕДЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ 3. 7. Исследование распыления поверхности бериллия сильноточным электронным пучком Δm/S, мг/см 2 Распыление бестекстурных поверхностей (синие ромбы), поверхностей, параллельных оси текстуры (красные квадраты), и поверхностей, перпендикулярных оси текстуры (желтые треугольники), с увеличением количества импульсов электронного облучения на выбранном режиме: напряжение 440 к. В, межэлектродный зазор 48 мм, трубчатый графитовый катод, концентрирующая пластина с отверстием 50 мм 24

Филиал «Институт атомной энергии» РГП НЯЦ РК СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ! 25