В МИФИ исследуют стойкость ванадиевых сплавов к распуханию

В реакторах на быстрых нейтронах в результате трансмутационных реакций в конструкционных материалах образуются гелий и водород. Аустенитная сталь ЧС-68, используемая для изготовления оболочек твэлов реакторов на быстрых нейтронах, не обеспечивает выгорание тяжелых атомов в топливе более 12-13% из-за высокого уровня радиационного распухания. В НИЯУ МИФИ ведутся работы по поиску перспективных материалов, которые смогут заменить эту сталь.

Доцент кафедры "Физические проблемы материаловедения" Максим Сергеевич Стальцов стал победителем конкурса на получение стипендии Президента РФ для молодых учёных на 2016-2018 годы по проекту: «Закономерности развития газовой и вакансионной пористости в перспективных ванадиевых сплавах при имитационном облучении ионами различных масс и энергий». «Наша задача – провести предварительный отбор новых материалов для использования в реакторах термоядерного синтеза и ректорах на быстрых нейтронах. Мы производим первую оценку возможности их применения в реакторных установках с точки зрения распухания», – сообщил Максим Сергеевич.

Для реакторов на быстрых нейтронах нового поколения могут быть перспективными конструкционные материалы с объемно-центрированной кристаллической решеткой. Как сказал руководитель Центра «Ядерные системы и материалы» Борис Александрович Калин, сплавы ванадия являются альтернативным материалом ферритно-мартенситным сталям, и в Центре ЯСМ идет исследование их распухания применительно к оболочкам твэлов реакторов на быстрых нейтронах. «Они сочетают в себе высокую жаропрочность и сопротивление распуханию. Работа Максима позволит получить новые знания о ванадиевых сплавах»,– подчеркнул он.

Материалы первой стенки термоядерного реактора будут испытывать воздействие ионов и атомов гелия и водорода, а также нейтронов. Сплавы ванадия рассматриваются в качестве кандидатных материалов для корпуса разрядной камеры термоядерного реактора. Они смогут работать в условиях больших нейтронных потоков, способствующих образованию высокой плотности дефектов, и наработки значительных количеств трансмутационных газов, а также газов имплантированных из плазмы, что будет приводить к вакансионному и газовому распуханию материалов. "Известно, что чистому ванадию свойственно высокое гелиевое распухание, но его можно снизить с помощью легирования, например Ti или Fe. Однако это отрицательно сказывается на некоторых других свойствах ванадия. В данной работе планируется исследовать влияние легирования такими элементами, как Ta, W, Cr, и двойного легирования на возможность подавления гелиевого распухания ванадия".

Другой проблемой является оценка радиационной стойкости материалов при одновременном воздействии излучения, повреждающего структуру металла, и накоплении гелия. Одним из способов решения данной задачи в таких условиях является одновременное или последовательное облучение тяжелыми ионами, которые позволяют моделировать нейтронное облучение, и ионами гелия. «Наши работы связаны с выявлением закономерностей вакансионного и газового распухания ванадиевых сплавов в зависимости от химического состава при имитационных экспериментах по облучению ионами различных масс и энергий. Нам предстоит установить относительную стойкость ванадиевых сплавов против радиационного распухания», – отметил Максим Сергеевич.

Решение задач исследования достигается путем проведения имитационных экспериментов по имплантации «тяжелых» ионов на ускорителях ионов. Основным методом изучения распухания является просвечивающая электронная микроскопия. По словам Максима Стальцова, результатом этих работ станут сформулированные рекомендации по созданию радиационно-стойких ванадиевых сплавов.

Актуальность тематики исследований ученых МИФИ подтверждено интересом российской прессы.