CC BY
11Водородная энергетика и транспорт
ПОВЕДЕНИЕ ВОДОРОДА В НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ В ПРОЦЕССЕ РАДИАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
И. П. Чернов, Ю. П. Черданцев, А. А. Лидер. Н. Н. Никитенков, А. В. Панин, Г. В. Гаранин, О. В. Бояринов, Ю. В. Мартыненко*, М. И. Гусева*, С. Н. Коршунов*, М. Крёнинг**, А. С. Сурков**
Томский политехнический университет * Институт атомной энергии ** Фраунгоферовский институт неразрушающих методов контроля
В результате протекающих (п,а)- и (п, р)-ядерных реакций в конструкционных материалах нарабатывается водород и гелий, способствующие появлению гелиевого и водородного охрупчивания. Ситуация усложняется в водо-водяных реакторах, где водород дополнительно нарабатывается в процессе радиолиза воды. Возникает серьезная материаловедческая проблема в связи с наличием высокой концентрации водорода и гелия, с одной стороны, и накоплением радиационных дефектов, с другой.
Целью наших исследований является:
1) выяснение особенности накопления водорода и гелия в конструкционных материалах;
2) исследование влияния водорода и гелия на механические свойства материалов;
3) разработка методов контроля содержания водорода в конструкционных материалах, основанных на радиационно стимулированном выходе Н, измерении скорости звука и магнитных свойств.
Изучено влияние растворенного в стали водорода на захват имплантированного гелия. Для этого проведены исследования поведения водорода и гелия при одновременной и последовательной имплантации. Разработана феноменологическая модель, объясняющая снижение захвата гелия в металлах в присутствии растворенного водорода.
Исследована дефектность насыщенных водородом и пластически деформированных металлов. Наиболее интересным из полученных результатов является то, что наблюдается принципиальная разница в изменении дефектности стальных образцов в зависимости от последовательности операций: растяжение - наводорожи-
вание - облучение. Причем результат воздействия зависит от степени деформации металла.
Обнаружена ползучесть стали, нагруженной до предела текучести, инициируемая облучением ионами водорода. Ползучесть начинается спустя некоторое латентное время после начала облучения. Предложена модель, объясняющая ион-но-индуцированную ползучесть материалов.
Изучено воздействие ионизирующего излучения (ускоренных ионов, электронов и рентгеновских лучей) на миграцию и выход водорода из металлов. Скорость выхода водорода из облученной области зависит от плотности тока, количества дефектов в исследуемой области металла, обработки поверхности. Установлено, что воздействие электронного пучка существенно снижает энергию активации диффузии примеси дейтерия. Для нержавеющей стали 12Х18Н10Т проведены количественные измерения выхода водорода при облучении рентгеновскими квантами и электронами.
Получены новые теоретические данные о поведении водорода при облучении: при воздействии ионизирующего излучения происходит возбуждение колебательных степеней свободы водородной подсистемы. В результате аккумулирования энергии излучения атомы водорода приобретают энергию значительно большую, чем атомы матрицы, они начинают интенсивно мигрировать и удаляться из металла. Мигрирующие атомы водорода увлекают за собой примесные атомы и дефекты. При этом в решетке металла происходит аннигиляция дефектов, снимаются микронапряжения и снижается концентрация водородных ловушек.
Работа проведена при финансовой поддержке МНТЦ (проект № 2864).
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology ISJAEE № 6(38) (2006) Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» АЭЭ № 6(38) (2006)
Конструкционные материалы
HYDROGEN BEHAVIOR IN STEEL UNDER RADIATION
I. P. Chernov, Yu. P. Cherdantsev, A. A. Lider, N. N. Nikitenkov, A. V. Panin, G. V. Garanin, O. V. Boyarinov, Yu. V. Martynenko*, M. I. Guseva*, S. N. Korshunov*, M. Kröning**, A. S. Surkov*
Tomsk Polytechnic University * RRC Kurchatov Institute ** Fraunhofer Institute Zerstörungsfreie Prüfverfahren
Hydrogen and helium appear in constructive materials as a result of (n, a)- and (n, p)-nuclear reactions. This gives rise to the materia! embrittle-ment. In WWR reactors the situation is worse because of water radiolysis. The material science problem is caused by high hydrogen and helium concentration along with the radiation defect accumulation.
Our objects are: 1) to find peculiarities of hydrogen and helium accumulation in construction materilas, 2) to investigate hydrogen and helium effects on the mechanical properties of the material, 3) to develop a method to control the hydrogen content in construction materilas on the basis of radiation stimulated hydrogen release, measurements of the sound velocity and magnetic properties.
Hydrogen dissolved in steel was studied as it influences the capture of the implanted helium. Hydrogen and helium behavior at simultaneous and sequent implantation was investigated. A phe-nomenological model to explain decrease of helium capture in metals in the presence of soluble hydrogen was developed.
The defectness of hydrogen-saturated and plastically-deformed metals was studied. The most in-tresting is defectness dependence on operation sequence: tension deformation - hydrogen saturation - irradiation. The result is dependent on the deformation value.
Creep of the metal loaded up to the yield point initiated by hydrogen ion irradiation (15-keV H2+) was discovered.
The creep begins after some latent time after the irradiation.
The model to explain ion-induced creep of the material was suggested.
Ionizing radiation was studied (accelerated ions, electrons and x-rays) as it influences hydrogen migration and release from the metals. The rate of the hydrogen release from the irradiated area depends on the density of current, the number of defects in the examined area of the metal, and on the surface treatment. It was found out that the effect of the electron beam reduces considerably the diffusion activation energy of the deuterium admixture. For 12X18H10T stainless steel the quantity measurements of the hydrogen release under X-ray quanta and electron irradiation were held.
New theoretical data on the hydrogen behaviour under the irradiation were produced : under the ionizing radiation, the excitation of the degrees of freedom of the hydrogen subsystem takes place. As a result of accumulation of the irradiation energy hydrogen atoms acquire a consideably higher energy than that of the matrix atoms. They start intensive migration and withdraw from the metal. The migrating atoms of hydrogen carry impurity atoms and defects with them. And anni-hilatyion of defects takes place in the lattice of the metal, microstresses are relaxed and concentration of hydrogen traps is reduced.
The work was supported by ISTC Project #2864.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology ISJAEE № 6(38) (2006) rQ
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» АЭЭ №6(38) (2006) 59
