Результаты исследований стойкости материалов к распуханию определили новизну научного открытия ученых МИФИ в области радиационной физики

В связи с высоким радиационным распуханием аустенитной стали ЧС-68 - основного конструкционного материала активной зоны реактора БН-600, перспективными являются аустенитная сталь с повышенным содержанием никеля ЭК-164, малораспухающие хромистые стали типа Х13, включая дисперсно-упрочняемые оксидами стали, как перспективные материалы для оболочек твэлов. В качестве перспективных конструкционных материалы для активных зон ядерных и, особенно, первой стенки термоядерных реакторов (ТЯР) рассматриваются ванадиевые сплавы с быстрым спадом наведенной активности, наиболее изученным из которых является сплав V-4%Ti-4%Cr.

В ТЯР наряду с высокой степенью радиационного повреждения структуры нейтронное облучение неизбежно должно приводить к интенсивной генерации трансмутационных гелия и водорода, а также имплантации их излучением из плазмы. При этом в реакторах на быстрых нейтронах нарабатывается примерно на порядок больше, а в термоядерных реакторах (особенно в ДЕМО) – на два порядка больше гелия, чем в реакторе на тепловых нейтронах. Газовые примеси оказывают существенное влияние на радиационную стойкость, включая газовое распухание облучаемого ионами Не⁺ приповерхностного объема материала, и могут быть причиной сокращения срока эксплуатации конструктивных элементов реактора.

В условиях отсутствия действующих реакторов синтеза прямым методом изучения влияния облучения нейтронами на свойства таких материалов может являться непосредственная постановка сборок из материалов в реактор на быстрых нейтронах с последующим извлечением и исследованием. Однако такие исследования являются, во-первых, продолжительными в связи с необходимостью набора требуемого флюенса и послереакторной выдержки материалов для спада активности и, во-вторых, технологически сложными в связи с необходимостью использования горячих камер. Поэтому для возможности предсказания относительной стойкости разных материалов в радиационных полях, получение экспрессной оценки относительной стойкости материалов к распуханию, а также структурной и фазовой стабильности их под облучением, перспективны имитационные облучения тяжелыми ионами для создания поврежденной структуры, свойственной конструкционным материалам в реакторах, а также ионами газов для изучения влияния их на свойства материалов.

Все вышеприведенное определяет актуальность и существенную научную новизну исследований закономерностей формирования дефектной структуры, пористости, распухания, поведения гелия и водорода в новых конструкционных материалах после имитационных облучений ионами различных масс и энергий (см. фото).

Сотрудниками Центра «Ядерные системы и материалы» впервые показано и физически обосновано, что в имитационных экспериментах радиационной повреждаемости с использованием тяжелых металлических ионов вакансионная пористость в зоне накопления радиационных повреждений зависит от характера взаимодействия внедряемых ионов с материалом мишени (растворимости, образования фаз), что накладывает ограничения на выбор ионов для имплантации. Показано, что при имплантации тяжелых ионов в мишень, содержащую предварительно внедренный гелий в узком поверхностном слое, происходит перенос гелия вглубь мишени, распределение которого определяется распределением вакансий и межузельных атомов в зоне пробега тяжелых ионов, а радиационное распухание в зоне максимума распределения вакансий возрастает в два раза по сравнению с облучением без введения гелия, что необходимо учитывать при оценке радиационной стойкости материалов первой стенки термоядерных реакторов.

На выездной сессии Научного Совета РАН по проблеме «Радиационная физика твердого тела», прошедшей в конце года, работа «Особенности развития радиационного распухания ванадия при последовательном облучении ионами гелия и никеля» авторов И.И. Чернова, М.С. Стальцова и Б.А. Калина признана важнейшим результатом в области радиационной физики твердого тела за 2015 год.

На фото: микроструктура сплава V-0,3 мас.% Ti, облученного в последовательности He⁺ + Ni²⁺, вдоль пробега ионов Ni²⁺ и поры, образовавшиеся при облучении (технология FIB, режим «underfocus»).