Файл: Герасимов В.В. Материалы ядерной техники учеб. пособие.pdf

184 Г л . 7. Ядерно-горю чие материалы

ласти термического пика должно произойти расширение метал­ ла, которому препятствует окружающий холодный металл. В связи с этим в зоне пика создаются однородные сжимающие напряжения, которые вызывают локальную пластическую де­

напряжений в зоне термического пика вследствие анизотропии

иметь в виду, что объем пика не может увеличиться, так как этому препятствует окружающая его холодная часть кристалла. Поэтому локальная пластическая деформация должна сопро­ вождаться перемещением атомов.

В случае идеальной решетки при охлаждении металла в зоне пика процессы пойдут в обратном направлении и радиаци­ онного роста не будет. Если же пики возникнут на линии крае­

кости, образующие дислокации с вектором Бюргерса b [100], уничтожаются в пике деления, что дает сокращение размеров по оси [100].

Теория коррелятивных ударных процессов основывается на том, что благодаря закономерному расположению атомов в кристаллической решетке урана ударные процессы (передача энергии атомам решетки от быстрых нейтронов и осколков деле­ ния) происходят коррелятивно, т. е. в определенной зависимости от энергии и направления удара, а также от механизма пере­ дачи энергии от атома к атому в цепочке атомов урана. Грубой механической моделью такого процесса может служить удар бильярдного шара по «пирамиде», т. е. по треугольной плотно сложенной группе шаров. В этом случае отлетает под утлом к направлению удара не тот шар «пирамиды», по которому нанесен удар, а дальний крайний шар. Таким образом удар может передаваться по цепочке атомов в направлениях [100] и [010]. В направлении [100] имеет место плотная упаковка ато­ мов. При каждом новом ударе в атомном ряду в направлении [100] угол между направлением удара и линией атомного ряда становится меньше и наступает фокусировка. При таком фоку­ сирующем ударе последнему атому рассматриваемой цепочки передается энергия, достаточная, чтобы выбить его из решетки. Этот смещенный атом попадает либо на границу соседнего

падает в зону того или иного дефекта кристаллической решетки и покидает рассматриваемую цепочку атомов. В результате в атомном ряду становится одним атомом меньше и происходит сокращение длины. Расчеты показывают, что фокусировка сме­ щенных атомов осуществляется в направлении плотной упаков­ ки [100].

Иная картина имеет место при ударе вдоль направления [010]. Упаковка в этом ряду неплотная. В результате вместо фокусішовкн удара получается обратный эффект — кроудион. Угол между направлением удара и линией ряда атомов ста­ новится с каждым ударом все больше. В конце концов, столк­ новения атома цепочки с окружающими атомами приводят либо к выбиванию атомов из ряда за пределы данного зерна и пре­ вращению его в промежуточный атом, либо, что наиболее вероятно, кроудионный процесс задерживается иа границе зер­ на, II атом не выходит за его пределы. В этом случае скопив­

урана в этом направлении.

В третьем направлении [001], как вытекает из анализа кри­ сталлической решетки а-урана, вообще отсутствуют плотноупакованные цепочки атомов. При таких условиях частицы большой энергии не могут передавать свою энергию путем динамических коррелятивных процессов типа фокусонов или кроудионов, в результате чего изменение размеров в этом направлении отсут­ ствует.

Диффузионная теория радиационного роста урана основана на представлении об анизотропной диффузии вакансий и сме­ щенных атомов (иитерстиций). Под действием быстрых нейтро­ нов с энергией 1—2 Мэв и осколков деления с энергией около 100 Мэв в облучаемом уране в 1 сек возникает до 101S—101Это­ чечных дефектов (вакансий и смещенных атомов). При выгора­ нии 0,07% общего числа атомов в природном уране каждый атом смещается из своего положения 17 раз. Около 98% сме­ щенных' атомов рекомбинируют с вакансиями и занимают места в узлах кристаллической решетки, 1% смещенных атомов погло­ щается дислокациями. Оставшиеся смещенные атомы и вакан­ сии мигрируют к границам зерен, субзерен. При анизотропной диффузии смещенные атомы создают дополнительные плос­ кости, что приводит к увеличению размеров в одном направле­ нии, а вакансии вычитаются из решетки, что приводит к сокра­ щению в другом направлении.

Коэффициенты диффузии вакансий в направлениях [100], [010], [001] находятся в соотношении 1 ; 0 : 0,8. Диффузия же смещенных атомов в этих направлениях практически изотропна:

атомов в рассматриваемых направлениях неоднородны. В на­ правлении [010] диффундируют только смещенные атомы, по­ этому и размеры в этом направлении будут увеличиваться. В направлении [100] диффундируют предпочтительно вакансии, поэтому размеры будут уменьшаться. Следует отметить, что ни одна теория не объясняет все наблюдаемые эксперименталь­ ные факты.

Теория Бакли дает наилучшее согласование с опытными данными.

По предположению Бакли радиационный рост обусловлен образованием в поле упругих напряжений пиков деления далеко отстоящих друг от друга групп вакансий и смещенных атомов. Смещенные атомы удалены от пика деления за счет фокуси­ рующих столкновений и кроудионов. Возникающие в резуль­ тате нагрева в термическом пике напряжения создают условия, благоприятные для конденсации смещенных атомов и вакансий на разных атомных плоскостях. Удлинение, возникающее за счет плоских скоплений смещенных атомов в плоскости (010), идет по направлению минимального термического расширения. Сокращение длины по направлению максимального термиче­ ского расширения происходит вследствие скопления вакансий на плоскости (100). Этому способствует малая величина вектора Бюргерса в направлении [100]. Вектор Бюргерса в направлении [001] больше, поэтому плоские скопления в плоскости (ООП не возникают, хотя упругие напряжения благоприятствуют их образованию.

Плоские скопления смещенных атомов и вакансий ограни­ чены дислокационными петлями. Количество сохранившихся смещенных атомов зависит от температуры облучения и дисло­ кационной структуры урана. Благодаря фокусирующим ударам и кроудионам атомы в направлении [110] значительно удаля­ ются от пика деления, распространяясь в других направлениях в решетке лишь на несколько межатомных расстояний. В со­ вершенной кристаллической решетке зарождение комплексов должно быть гомогенным. На первых стадиях облучения веро­ ятность гомогенного зарождения мала и большинство смещен­ ных атомов аннигилирует на плоских скоплениях вакансий. Результирующий рост при этом мал. По мере возрастания дозы облучения увеличивается вероятность гомогенного зарождения ассоциаций смещенных атомов, вероятность аннигиляции умень­ шается и коэффициент роста возрастает. Поликристаллическне образцы и несовершенные монокристаллы содержат, по-види­ мому, достаточно дислокаций, чтобы уловить большинство мигрирующих смещенных атомов, поэтому скорость роста вна­ чале очень велика до тех пор, пока не возникнет столько

комплексов вакансий, что они смогут экранировать дислока­ ционные стоки. Тогда скорость роста понижается до стацио­ нарного значения.

§7. 3

Га з о в о е р а с п у х а н и е

Под газовым распуханием или свеллингом понимают изме­

мально. Скорость радиационного роста урана достигает макси­ мального значения при 200° С, уменьшается с дальнейшим повышением температуры и становится равной нулю при 460— 500°. Газовое распухание происходит при температуре, большей 350—460°. Явления радиационного роста и распухания могут перекрываться, т. е. механизм роста может все еще действовать в нижнем диапазоне температуры, в котором наблюдается га­ зовое распухание.

Газовое распухание обусловлено образованием в уране газовых пузырьков, наполненных осколками деления, главным образом газообразными ксеноном и криптоном. В 1 см3 урана, облученного до выгорания 1%, образуется 4,73 см3 (при нор­ мальных условиях) инертного газа. Растворимость ксенона и криптона в а-уране ничтожна. Атомы этих инертных элементов не образуют химических соединений с ураном, его примесями и осколками деления и выделяются из решетки, размещаясь в тех местах кристаллической решетки, где она искажена. Такими участками могут быть микропоры, дислокации, границы двойни­ ков, зерен и субзерен, слон металла, окружающие йнтерметаллиды, неметаллические включения. Атомы ксенона и криптона могут, по-видимому, захватываться отдельными вакансиями и группами вакансий, т. е. объемами, дающими начало порам. Накопившийся газ при высокой температуре создает в порах высокое давление, под действием которого происходит пластиче­ ская деформация металла. Пузырьки газа растут, объединяются и образуют крупные пузыри, в результате чего происходит увеличение объема урана, т. е. газовое распухание. Рост газо­ вого распухания при повышении температуры обусловлен умень­ шением сопротивления ползучести материала с увеличением температуры. При температуре 575° увеличение выгорания от 0,2 до 0,5% приводит к практически линейному увеличению объема урана от 1 до 7%. При выгорании 0,27—0,3% увеличе­ ние объема урана при температуре 700 и 800° составляет соот­ ветственно 11,5 и 84,5%. При газовом распухании разрушение может произойти по объему зерна или по границам зерен.

Повышение прочностных характеристик урана при повы­ шенной температуре и особенно характеристик сопротивления ползучести снижает газовое распухание. Это достигается леги­ рованием урана молибденом, ниобием, цирконием. Так, сплав с 10% Мо не распухает до температуры 600° при выгорании до 2%. При введении в уран железа и алюмйнпя образуются мел­ кодисперсные интерметаллиды. Образующиеся на них пузырьки мелки и не сливаются друг с другом. В сочетании с закалкой из у-фазы такое легирование устраняет распухание при выгорании до 0,7%. Применение конструкций, обеспечивающих сжатие ядерного горючего, также способствует уменьшению газового распухания.

§ 7. 4

В л и я н и е о б л у ч е н и я н а м е х а н и ч е с к и е х а р а к т е р и с т и к и у р а н а

Облучение металлов нейтронами вызывает радиационные по­ вреждения, влекущие за собой увеличение электросопротивле­ ния, пределов текучести и прочности, уменьшение пластичности и ударной вязкости, смещение порога хладноломкости в сторону высокой температуры. В уране все эти эффекты проявляются более резко, так как кристаллическая решетка его подвергается

имеют изменения механических характеристик и теплопровод­ ности при облучении. Так, при облучении в области температур 150—300° при выгорании 0,08% предел текучести урана увели­ чивается от 27 до 56 кГ/мм2. Предел прочности несколько снижается с увеличением интегрального потока, а затем зозра.- стает. Наиболее характерным является резкое уменьшение удлинения, изменяющегося от 19 до 0,3—0,5% при выгорании 0,02%. Ударная вязкость урана после облучения интегральным потоком 1019 нейтрон/см2 падает с 2—3 до 0,6—0,9 кГ-м/см2. Охрупчивание урана под облучением начинается при малых интегральных потоках — ІО16 нейтрон/см2. Облучение при тем­ пературе 300—400° приводит к аналогичным результатам.

Отжиг облученного урана восстанавливает в некоторой сте­ пени пределы прочности и текучести, но не восстанавливает пластичности. Радиационные повреждения не снимаются от­ жигом. Причиной этого служит не только внедрение в кристал­ лическую решетку урана инородных атомов, осколков деления, но и главным образом возникновение мнкротрещии. Микротре­ щины на границах и в теле зерен поликристаллнческого урана вызываются, по-видимому, анизотропным радиационным ростом отдельных зерен. Атомы примеси, являющиеся продуктами де­ ления, приводят к упрочнению металла и препятствуют снятию