^ ПРОЧНОСТЬ
И ПЛАСТИЧНОСТЬ
УДК 621.039.53
ВЛИЯНИЕ ДОЗОВО-ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПАРАМЕТРОВ НЕЙТРОННОГО ОБЛУЧЕНИЯ ДО МАКСИМАЛЬНОЙ ПОВРЕЖДАЮЩЕЙ ДОЗЫ 77 сна НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОРИСТОСТИ, СФОРМИРОВАВШЕЙСЯ В СТАЛИ 0.07С-16Сг-19М-2Мо-2Мп-Т1-81-У-Р-В
© 2014 г. И. А. Портных, А. В. Козлов, В. Л. Панченко
ОАО "ИРМ", 624250 Заречный, Свердловская область e-mail: irm@irmatom.ru Поступила в редакцию 23.09.2013 г.; в окончательном варианте — 17.11.2013 г.
Исследована микроструктура образцов оболочечных труб из стали 0.07C—16Cr—19Ni—2Mo—2Mn— Ti—Si—V—P—B (ЭК164), облученных в реакторе БН-600 при температурах от 440 до 600°C до различных повреждающих доз, вплоть до 77 сна. Получены характеристики радиационной пористости, сформировавшейся при облучении в различных температурных интервалах исследованного диапазона. Установлены зависимости характеристик пористости от скорости генерации атомных смещений и температуры нейтронного облучения.
Ключевые слова: аустенитная сталь, нейтронное облучение, скорость генерации атомных смещений, распухание, характеристики пористости.
DOI: 10.7868/S0015323014060114
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в качестве перспективного материала оболочек твэлов реакторов на быстрых нейтронах рассматривается аустенитная сталь 0.07С—16Cr—19Ni—2Mo—2Mn—Ti— Si—V—P—B (далее по тексту ЭК164), обладающая большей стойкостью к радиационному распуханию по сравнению со штатным материалом — сталью 0.06С—16Cr—15Ni—2Mo—2Mn—Ti—Si—V—B (далее по тексту ЧС68). Для определения предельных ресурсных возможностей твэлов с оболочками из стали ЭК164 и поиска путей дальнейшего повышения ее радиационной стойкости актуальными являются работы по исследованию структурных изменений и выявлению механизмов их реализации при реакторном облучении.
Первые опытные ТВС с оболочками твэлов из стали ЭК164 производства ПНТЗ прошли эксплуатацию в реакторе БН-600 и на образцах, изготовленных из оболочек твэлов, в ОАО "ИРМ" проведен комплекс исследований, включающий электронно-микроскопическое изучение микроструктуры. Цель исследований — выявление микроструктурных изменений, происшедших в оболочках из стали ЭК164 в диапазоне условий эксплуатации реактора БН-600. Основное внимание уделялось определению характеристик радиационной пористости, развивающейся при облучении, и поиску зависимостей их изменения от до-
зово-температурных параметров нейтронного облучения.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Исследовали образцы оболочек семи твэлов из стали ЭК164, состав которой приведен в [1], после облучения при разных температурах в составе двух различных ТВС в реакторе БН-600 в течение 569 эфф. сут до достижения различных повреждающих доз, т.е. отличающихся скоростью набора дозы.
Микроструктурные исследования проводили методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) на микроскопе 1ЕЫ-2000ЕХ при ускоряющем напряжении 120 кВ. Экспериментально полученные распределения пор по размерам представляли в виде гистограмм, по которым находились средние по образцам размеры и концентрации пор [2].
Исследовали образцы оболочек твэлов, соответствующие четырем температурным диапазонам облучения: низкотемпературному (440—445°С), среднетемпературному 1 (485—490°С), среднетем-пературному 2 (510—515°С) и высокотемпературному (590—600°С). Повреждающие дозы приведены по ходу изложения результатов.
Рис. 1. Микроструктура стали ЭК164, облученной до доз 52—61 сна в низкотемпературном диапазоне облучения (440— 445°С) (а, б) и до доз 72—74 сна в среднетемпературном 1 диапазоне облучения (485—490°С) (в, г).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
В низкотемпературном диапазоне облучения с повреждающими дозами 52—61 сна исследовали семь образцов различных твэлов. В микроструктуре всех исследованных образцов наблюдаемые поры в целом равномерно распределены по объему (~(0.5 х 0.5 х 0.1) = 0.025 мкм3). Наблюдаются обедненные по порам зоны, расположенные с одной стороны от границ зерен (рис. 1б), на границах образуются выделения вторых фаз. В образцах исследованной стали наблюдается связь пор с дислокациями и дислокационными петлями, а также с выделениями радиационно-индуциро-ванной б-фазы (рис. 1а). При небольшом распу-
хании исследованных образцов в микроструктуре наблюдаются поры коалесценции (слияние рядом находящихся пор, рис. 1а).
Размер пор во всех исследованных образцах из низкотемпературной области не превышает 50 нм. Гистограммы распределения пор по размерам приведены на рис. 2а, 2б. Во всех исследованных образцах можно выделить две системы пор мелкие и крупные, причем это разделение становится более ярко выражено с ростом температуры облучения, что будет показано ниже. Таким образом, рассматривались характеристики двух систем пор для различных образцов. Так, средний размер мелких пор в исследованных образцах ва-
Количество в единице объема, х1019 м-3
250
200
(а)
150
100
50
]_I_I_I_I
2.5 12.5 22.5 32.5 42.5 52.5 Размер пор, нм
Количество в единице объема, х1019 м-3 40 г
30 -
(в)
20 -
10
32.5 47.5 62.5 Размер пор, нм
Количество в единице объема, х1019 м-3 250
200
(б)
150
100
50
2.5 12.5 22.5 32.5 42.5 52.5 Размер пор, нм
Количество в единице объема, х1019 м-3 40
30
(г)
20
10
92.5
2.5 17.5
32.5 47.5 62.5 Размер пор, нм
77.5 92.5
Рис. 2. Типичные гистограммы распределения пор по размерам в образцах из стали ЭК164, характерные для низкотемпературного (440-445°С) (а, б) и среднетемпературного 1 (485-490°С) (в, г) диапазонов облучения: а - Б = 54 сна, 5 = 3.4%; б - Б = 61 сна, 5 = 4.3%; в - Б = 74 сна, 5 = 4.9%; г - Б = 72 сна, 5 = 2.7%.
рьируется от 4 до 11 нм, а крупных от 20 до 31 нм (табл. 1). Концентрация мелких пор в различных образцах изменяется в пределах от 0.9 х 1021 м-3 до 2.5 х 1021 м-3, а крупных от 1.3 х 1021 м-3 до 5.6 х х 1021 м-3, (табл. 1). Распухание исследованных образцов оболочек различных твэлов различаются в 2.3 раза и составляет от 1.8% до 4.3% (см. таблицу).
В среднетемпературном 1 диапазоне облучения с повреждающими дозами 72-74 сна, соответствующем области максимального распухания, исследовались два образца различных твэлов. В этом температурном диапазоне наблюдается неравномерное распределение пор по объему образцов, прослеживаются свободные от пор зоны вдоль границ зерен и в теле зерен (рис. 1в). Наблюдаются поры на границах деформационных двойников, которые иногда образуют цепочки. Как и в низкотемпературном диапазоне облучения, в образцах исследованных
твэлов наблюдается выстраивание пор в строчки вдоль зеренных границ (рис. 1в). Встречаются границы зерен, мигрировавшие в процессе эксплуатации, что выражается в их изогнутой форме и прилежащей с одной стороны области, обедненной порами (рис. 1г).
Как и в предыдущем температурном диапазоне, наблюдаемые поры связаны с элементами дислокационной структуры и выделениями б-фазы. Диапазон размеров пор простирается до ~60 нм (рис. 2в, 2г). В этом температурном диапазоне распределение пор по размерам в образцах различных твэлов неоднородное. Отчетливо наблюдается две системы пор: крупные и мелкие, причем степень неоднородности различна для разных образцов (рис. 2в, 2г).
Средний размер мелких пор в образцах различных твэлов составляет 7-9 нм, а крупных -
0
0
0
0
Характеристики мелких и крупных пор в исследованных образцах оболочек твэлов из стали ЭК164 в различных диапазонах облучения
Температурный диапазон, °С Доза облучения, сна Система пор Средний размер пор, нм Концентрация пор, х102° м-3 Распухание (по ПЭМ), %
440-445 52...61 мелкие 4-11 9-25 1.8-4.3
крупные 20-31 13-56
общее 16-25 23-73
485-490 72...74 мелкие 7-9 7-9 2.7-4.8
крупные 35-41 6-12
общее 24-29 13-21
510-515 66.76 мелкие 3-11 4-51 1.2-5.4
крупные 43-83 0.7-7
общее 8-30 7-51
590-600 40.63 мелкие 3 17-84 0.03-0.21
крупные 11-16 1.1-13
общее 3-6 19-84
35—41 нм (см. таблицу). Концентрация мелких пор варьируется в диапазоне (0.7—0.9) х 1021 м-3, а крупных различается в 2 раза: от 0.6 х 1021 м-3 до 1.2 х 1021 м-3 (таблица). Распухание исследованных образцов различается в 1.8 раза: от 2.7% до 4.8%.
В среднетемпературном 2 диапазоне облучения до повреждающих доз 66-76 сна во всех восьми исследованных образцах различных твэлов неоднородность распределения пор по объему выражена очень ярко (рис. 3а). Как и в предыдущем температурном диапазоне, во всех исследованных образцах на границах деформационных двойников наблюдаются наиболее крупные поры, иногда образующие цепочки (рис. 3б).
Характерной особенностью, свойственной всем исследованным образцам этого температурного диапазона, является размерная неоднородность пор. Отчетливо наблюдается две системы пор: мелкие - размером ~10 нм и крупные.
Наблюдаемые крупные поры в основном связаны с выделениями б-фазы, а мелкие - с элементами дислокационной структуры. Во всех исследованных образцах из стали ЭК164 наблюдается наличие мелких пор по границам двойников, зерен и выделений вторых фаз, рис. 3а.
Еще одной особенностью структурного состояния образцов из стали ЭК164 является часто встречающиеся области начала рекристаллизации, образующиеся у границ некоторых зерен. В местах образования областей рекристаллизации наблюдается сильное искривление границы зерна (рис. 3б).
По гистограммам распределения пор по размерам (рис. 4а, 4б) в образцах отчетливо выявляются
две системы пор: мелкие - размером ~10 нм и крупные, размерный диапазон которых различен для разных твэлов, но, в основном, не превышает 90 нм.
Средний размер мелких пор в исследованных образцах составил от 3 до 11 нм, а крупных - от 43 до 83 нм (таблица). Концентрация мелких пор в образцах разных твэлов существенно различается (на порядок) в пределах от 0.4 х 1021 м-3 до 5.1 х 1021 м-3, а крупных: от 0.7 х 1020 м-3 до 7.0 х 1020 м-3 (таблица). При таких различиях средних размеров и концентраций, распухание исследованных образцов из стали ЭК164 разных твэлов отличается в 4.5 раза: от 1.2% до 5.4%.
В высокотемпературном диапазоне облучения до повреждающих доз 40-63 сна во всех пяти исследованных образцах различных твэлов наблюдаемые поры равномерно распределены по объему, их размер
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.