СОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ИЗМЕНЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ОБРАБОТАННЫХ В ЯДЕРНОМ РЕАКТОРЕ МАЛЫМИ ДОЗАМИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ТИПА САВ-1 Текст научной статьи по специальности «Физика»

 АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

ATOMIC ENERGY

Статья поступила в редакцию 29.12.2011. Ред. рег. № 1172 The article has entered in publishing office 29.12.11. Ed. reg. No. 1172

УДК 621.039.53

ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ИЗМЕНЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ОБРАБОТАННЫХ В ЯДЕРНОМ РЕАКТОРЕ МАЛЫМИ ДОЗАМИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ТИПА САВ-1

И.Х. Абдукадырова, Ш.А. Аликулов

Институт ядерной физики Академии наук Узбекистана 100214 Узбекистан, Ташкент, Мирзо-Улугбекский р-н, п. Улугбек Тел.: 289 3673, факс: (3712) 642590. E-mail: [email protected]

Заключение совета рецензентов: 15.01.12 Заключение совета экспертов: 20.01.12 Принято к публикации: 25.01.12

В работе изучено явление переноса тепла в алюминиевых конструкционных сплавах, в частности, определены особенности температурной и дозовой зависимости теплопроводности X сплавов типа САВ-1. Оценен температурный эффект в исходных материалах и радиационный эффект для Х(Т) в реакторно-обработанных небольшими флюенсами нейтронов образцах. Установлено влияние радиации на ряд теплофизических параметров, на основе полученных результатов соответствующих вычислений сделан вывод о некотором вкладе решеточной теплопроводности обработанных сплавов в общую. Обсуждается вероятный механизм переноса тепла в облученных в каналах реактора сплавах САВ-1.

Ключевые слова: теплопроводность, алюминиевый сплав, флюенс нейтронов, доза облучения, механизм.

FEATURES OF CHANGES OF HEAT CONDUCTION OF ALUMINUM ALLOYS SAV-1 PROCESSED BY SMALL DOSES IN NUCLEAR REACTOR

I.Kh. Abdukadirova, S.A. Alikulov

Institute of Nuclear Physics, Academy of Sciences of Uzbekistan Ulugbek, Mirzo-Ulugbekski reg., Tashkent, 100214, Uzbekistan Tel.: 289 3673, факс: (3712) 642590. Е-mail: [email protected]

Referred: 15.01.12 Expertise: 20.01.12 Accepted: 25.01.12

The process of changes of heat conduction of aluminum alloys SAV-1 processed by small doses in nuclear reactor was studied. Peculiarity of changes of heat conduction in advanced structural materials in no irradiated and irradiated by the neutron radiation doses for some samples of the aluminum alloys was investigated. The nonlinear kinetics of a dose dependence of parameters X(T) at low and high temperature region is established. In this work a mechanism of heat conduction in investigated materials is proposed.

Keywords: heat conduction, aluminum alloy, exposure dose, neutron fluence, mechanism.

Введение

Изменение ряда физических, в частности тепло-физических свойств конструкционных материалов при их облучении в каналах ядерного реактора имеет существенное значение для радиационного материаловедения. К таким свойствам следует отнести теплопроводность этих материалов. Имеется ряд сообщений [1-3] для твердотельных материалов, которые свидетельствуют о довольно больших изменениях их

тепловых характеристик, что и определило задачу данной работы на основе использования перспективного [4] алюминиевого сплава типа САВ-1.

Цель настоящей работы: изучение особенностей процесса изменения теплопроводности конструкционных сплавов типа САВ-1 до и после реакторной обработки малыми флюенсами быстрых нейтронов в зависимости от температуры, до которой нагревались образцы, установление закономерностей радиационного модифицирования теплового параметра

облученного материала, оценка радиационного эффекта изменения некоторых теплофизических параметров, определение природы рассматриваемого процесса переноса тепла в алюминиевом сплаве.

Методы и объекты исследования

Объектами исследования служила новая партия образцов конструкционного алюминиевого сплава САВ-1, из которого изготовлены оболочки твэлов ТВС ядерного реактора, имеющего гранецентриро-ванную кубическую структуру с параметром решетки а = 0,406 нм, представляющего собой твердый раствор алюминия с фазами внедрения типа Ре2А15, Mg2Si, СиА12 и др. Облучение пластин малыми дозами проводили в 2010 г. в вертикальных каналах активной зоны ядерного реактора ВВР-СМ ИЯФ АН РУз с измененной схемой загрузки при мощности 10 МВт, флюенс быстрых нейтронов (Еп >0,1 МэВ) варьировался от 1015 до 1018 см-2. Эксперимент в целом был выполнен на одинаковых дисковых образцах № 1-4, их исходные данные приведены в табл. 1, высота их имеет направление {111}. Измерения теплопроводности выполнены на усовершенствованном приборе ИТ-Х-400, в качестве метода исследования теплофизического параметра использованных сплавов был выбран метод динамического калориметра [5, 6].

Размеры исходных образцов The size of initial samples

Таблица 1 Table 1

№ п/п m, г h, мм s, мм2 d, мм

1 1,5 3 176,625 15

2 1,5 3 176,625 15

3 1,5 3 176,625 15

n h

x = k; -l!l (1 -CT c); k;=-n0 S

SCu ^Cu

hcu(1 -CT)

(1)

При проведении данного эксперимента установлено, что ход температурной зависимости теплопроводности ЦТ) исходных пластин имеет нелинейный характер (табл. 2). Видно, что сначала по мере нагрева образцов от комнатной температуры до особой точки (Т = 125 °С) теплопроводность несколько снижается, что соответствует известной формуле Дебая [5, 6]:

1 = (1/3) Со/,

(2)

где X - теплопроводность; и - скорость; l - длина свободного пробега электрона; С - теплоемкость, и функция достигает минимума.

Таблица 2

Зависимость X(Т)исходного образца

Table 2

Dependence X (Т) of initial sample

№ п/п Температура, С Перепад температуры тепломера, A, Теплопроводность, X, Вт/(мград)

на рабочем слое на образце

1 25 n, - 6 n0 - 7 173,4

2 50 щ - 6,4 Щ - 7 167,3

3 75 n, - 6,5 n0 - 6,9 163,8

4 100 n, - 6,5 n0 - 6,5 162,1

5 125 nt - 6,4 n0 - 6,2 158,3

6 150 n, - 6,3 n0 - 5,8 172,5

7 175 n, - 6,2 щ - 5,3 193,2

8 200 n, - 6 Щ - 5 193

Основные результаты и их обсуждение

Для изучения поставленной задачи - установления особенностей процесса переноса тепла в САВ-1 до и после реакторной обработки был выбран такой чувствительный теплофизический параметр, как теплопроводность. Расчет теплопроводности образцов проведен по следующей формуле (связывающей перепад температуры А/ в образце и тепломере, толщину к и сечение пластин и др.):

Затем, когда Т > 125 °С, направление смещения данной зависимости меняется на противоположное, что прослеживается вплоть до 225 °С. Отмеченную температурную кинетику тепловой характеристики сплава иллюстрирует рис. 1.

где X - теплопроводность; К* - тепловая проводимость тепломера; к0 - толщина образца; п0 - перепад температуры на образце; п/ - перепад температуры на рабочем слое тепломера; 5Си - площадь поперечного сечения образца; сс - поправка, учитывающая теплоемкость.

Рис. 1. Зависимость Х(Т) исходного образца Fig. 1. Dependence Х(Т) of initial sample

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 01 (105) 2012

© Scientific Technical Centre «TATA», 2012

В целом диапазон изменения X составляет 173,4193,2 Вт/(м-град), из которого следует вывод о довольно значительной величине температурного эффекта в данном материале. В дальнейшем были подготовлены идентичные пластинки САВ-1, выбранные для проведения эксперимента с использованием ядерного реактора ВВР-СМ ИЯФ АН РУз, которые облучались малыми дозами (Ф = 1015-1018 см-2).

Таблица 3

Зависимость X (Т) образца при Ф = 1016 см-2

Table 3

Dependence X (Т) of a sample at Ф = 1016 cm-2

№ п/п Температура, С Перепад температуры тепломера, A Теплопроводность, X, Вт/(мград)

на рабочем слое на образце

1 25 n, - 6,3 n0 - 6,3 235

2 50 n, - 6,9 n0 - 6,2 229

3 75 n, - 7,2 n0 - 6,0 234,7

4 100 n, - 7,3 n0 - 5,6 237,6

5 125 n, - 7 n0 - 5,0 241,5

6 150 n, - 6,8 n0 - 4,5 270

7 175 n, - 6,0 n0 - 3,7 301

8 200 n, - 5,5 n0 - 3,4 292

лового параметра САВ-1 при этих Ф иллюстрируют тот факт, что искомый параметр при комнатной температуре продолжает постепенно снижаться, что прослеживается до 60 °С. Заметим, что на обоих рисунках четко проявился максимум данной функции вблизи 70 °С. Допускаем его связь с наличием, согласно классической теории Дебая, максимума на общей зависимости теплопроводности тела от температуры, поскольку электронная теплопроводность при низких температурах быстро растет с Т, достигает максимума, а при более высоких температурах она уменьшается с ее ростом. Что касается характерной для исходного материала особой точки (Т1), то она проявилась при дозе Ф = 1017 см-2 в виде минимума, который при Ф = 1018 см-2 сместился в сторону низких температур (110 °С). Что касается более высоких температур, то при Т > 125 °С наблюдается интенсивный рост исследуемого параметра вплоть до предельной температуры.

С целью изучения радиационного эффекта для теплофизического параметра конструкционного сплава было прослежено влияние на него реакторного облучения малыми флюенсами быстрых нейтронов Ф. Из полученных в процессе эксперимента данных установлено существенное изменение хода температурной зависимости Х(7) в облученных образцах по отношению к таковой в исходных образцах. Например, для облученного образца при росте Ф до 1016 см-2 обнаружено (табл. 3) изменение соответствующих перепадов температур с ростом Т по сравнению с исходным образцом и увеличение теплофизи-ческого параметра в выбранном диапазоне Т. Выявленная при этом терморадиационная кинетика теплового параметра отчетливо просматривается на рис. 2. Действительно, численная величина X при комнатной температуре возросла, проявилось некоторое изменение хода функции типа плато около 7080 °С, что касается особой точки в виде излома около 125 °С, то она сохранилась и после обработки пластин в канале реактора.

Последующее пребывание образцов в каналах реактора до набора следующих доз (Ф = 1017-1018 см-2) привело к дальнейшему преобразованию формы кривой. Результат соответствующих вычислений теплопроводности для набора температур и перепада температур на тепломере и образцах приведен на рис. 3 и 4. Температурно-дозовые зависимости теп-

Рис. 2. Кривая Ц(Т) образца при Ф =1016 см-2 Fig. 2. Curve Ц(Т) of a sample at Ф = 1017 cm-2

Рис. 3. Особенности кривой X(T) образца при Ф = 1017 см-2 Fig. 3. Particularity of the curve X(T) of a sample at Ф = 1017 cm-2

Рис. 4. Зависимость Х(Т) образца при Ф = 1018 см-2 Fig. 4. Dependence Х(Т) of a sample at Ф = 1018 cm-2

Итак, в целом установлено, что в использованном в работе интервале доз Ф = 1016-1018 см-2 выявлена общая закономерность, связанная с постепенным радиационно-индуцированным уменьшением теплопроводности по мере увеличения длительности пребывания сплава в канале ядерного реактора, когда температурные зависимости параллельно смещаются в сторону снижения основного теплового параметра. Обсуждаются реальность изменения и вероятные причины обнаруженных радиационных эффектов модифицирования теплопроводности конструкционного сплава САВ-1 после его нейтронной обработки малыми дозами и возможный механизм рассмотренного в работе явления тепловой проводимости в исследованном материале. Так, например, отмеченный выше радиационный эффект уменьшения параметра в САВ-1 может быть достоверным, ибо он согласуется с установленным в более ранних работах по влиянию нейтронного излучения на теплопроводность ряда твердотельных материалов атомной техники эффектом, свидетельствующим об уменьшении в них X при флюенсе порядка 1018 см-2.

Исходя из имеющихся экспериментальных данных радиационного модифицирования теплофизиче-ских свойств исследуемого сплава, сделан предварительный вывод о наличии при небольших Т и Ф преимущественно основного дебаевского механизма переноса тепла [5, 6], приводящего, согласно формуле (2), к его резкому снижению, когда происходит интенсивное рассеяние электронов ГЦК-решеткой алюминиевого сплава и его теплопроводность определяется главным образом электрон-электронным и электрон-фононным взаимодействием, высок и эффект влияния радиационных дефектов на электронную компоненту X по сравнению с решеточной. Последующая термообработка пластин (Т > 125 °С) привела к дальнейшему преобразованию формы кривой и изменению изначальной закономерности Х(Т), когда действовал закон «1/Т», связанный с интенсив-

ным ростом параметра в результате действия, по-видимому, фонон-фононного взаимодействия, приводящего к изменению соотношения электронной и решеточной составляющей теплопроводности обработанного в реакторе малыми дозами (1015-1017 см-2) конструкционного материала.

В работе [6] показано, что при Т > в (в - характеристическая температура Дебая) решеточная теплопроводность различных материалов составила бы около 1/3 электронной, если бы в обе компоненты давало вклад только электрон-фононное рассеяние. При высоких Т это рассеяние действительно является важным, но в промежуточной области Т решеточная X может быть значительной, и такое соотношение несправедливо; в то время как электронная приблизительно постоянна, а решеточная X определяется фонон-фононными процессами, что и сказывается на изменении реального соотношения обеих компонент теплопроводности, и такое обстоятельство было обнаружено в нашем эксперименте при облучении САВ-1 малыми Ф.

Для уточнения высказанных предположений использованы полученные в этом эксперименте зависимости Х(Т) при 300 К и данные работы [7], оценена длина свободного пробега (/) и число Лоренца (L). Результаты соответствующих вычислений некоторых тепловых параметров для малых Ф приведены в табл. 4. Оказалось, что первый параметр по мере облучения образцов данным набором доз снижается, относительный радиационный эффект составляет довольно ощутимую величину: А/// = 2,8-11,4%. На основании этого и формулы (2) сделан вывод, подтверждающий высказанное выше мнение об уменьшении X обработанного сплава.

Таблица 4

Дозовые зависимости параметров /, L для САВ-1

Table 4

Dose dependence of parameters /, L for samples SAV-1

№ образца Ф, см-2 l, нм Al/l, % L, Вт-Ом/К2 AL

1 0 0,0352 - 2,04-10-8 0,40-10-8

3 1016 0,0342 2,8 2,77-10-8 -0,33-10-8

4 1017 0,0332 5,7 2,66-10-8 -0,22-10-8

5 1018 0,0315 11,4 2,08-10-8 0,36-10-8

Обычно для определения решеточной X допускается, что отклонение Ь от идеального числа Ь0 происходит за счет решеточной составляющей. Соответствующие вычисления в данной работе показали, что отклонение ДЬ составило следующую величину: -0,33 10-8, -0,22 10-8 (ВтОм/К2) при 300 К и Ф = 1016, 1017 см-2. Исходя из этих результатов превышения числа Лоренца, нами был определен вклад решеточной компоненты при комнатной температуре в реак-

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 01 (105) 2012

© Scientific Technical Centre «TATA», 2012

торно-облученном САВ-1 при Ф = 1016 см-2 и Ф = = 1017 см-2 в общую. Соответствующие вычисления свелись к тому, что этот вклад довольно велик, в первом случае он составляет порядка 11,9%, во втором - 8,9% относительно электронной X.

Таким образом, сделано заключение, что в целом механизм теплопроводности сплава сложный и соответствует механизму Дебая и фононному. Предполагается, что основной вклад в X в области промежуточных Т вносит решеточная составляющая, определяемая фонон-фононными процессами в облученном малыми дозами алюминиевом сплаве САВ-1.

Проведено сравнительное исследование радиационного хода теплофизических функций Ь(Ф) и Х(Ф) в сплаве, выявлена их корреляция. Установлено наличие экстремальной дозовой зависимости обоих параметров с наличием особой точки вблизи 1016 см-2. Высказано предположение, что рост электронной теплопроводности при малых дозах обусловлен возрастанием концентрации электронов преимущественно в результате действия ионизирующего гамма-излучения (комптон-, фото-эффект), приводящего к росту рассеяния электронов в обработанном материале. К тому же допускается возможность дальнейшего снижения X во всем использованном диапазоне температур по мере продолжения облучения пластин в реакторе повышенными дозами за счет упрочнения, повышения твердости и нормального модуля упругости сплава [8]. В [8] высказано мнение о дислокационном механизме радиационного упрочнения САВ-1 и выдвинута кластерная концепция радиационного изменения модуля Юнга. Последнее не исключает влияния на эффект уменьшения проводимости тепла в алюминиевом сплаве явления класт-рообразования, когда при его реакторной обработке может иметь место коагуляция точечных дефектов, что согласуется с мнением авторов [1].

Выводы

Исследованы особенности процесса терморадиационного эффекта изменения явления переноса тепла в конструкционном алюминиевом сплаве типа САВ-1, подвергнутом обработке в каналах ядерного реактора небольшими дозами нейтронного излучения. Определены основные закономерности терморадиационного изменения теплопроводности в облученном малыми дозами материале, прослежено преимущественно его снижение при комнатной и повышенной температуре в зависимости от дозы об-

лучения. Выявлено нелинейное модифицирование теплопроводности материала во всем интервале малых доз (Ф = 1015-1018 см-2) и температур (Т = 25220 °С). Проведена оценка радиационного эффекта для числа Лоренца Ь и длины свободного пробега электрона. В работе показано, что решеточная теплопроводность облученного (Ф = 1016-1017 см-2) сплава при 300 К составляет довольно ощутимую величину: порядка 11% и 8% соответственно относительно электронной. Сделано заключение, что в целом механизм теплопроводности сплава сложный и соответствует механизму Дебая и фононному. Высказано предположение, что определенный вклад в общее X в области промежуточных Т вносит решеточная составляющая, связанная с фонон-фонон-ными процессами в реакторно-облученном алюминиевом сплаве САВ-1.

Список литературы

1. Попов В.А., Федоров П.П., Осико В.В. Теплопроводность кристаллов со структурой флюорита // ФТТ. 2010. Т. 52. С. 469-473.

2. Попов С.Г., Проселков В.Н. Теплоемкость в двухфазных областях и теплота фазовых превращений некоторых бинарных сплавов системы 2г-ЫЪ // Атомная энергия. 2005. Т. 99, вып. 1. С. 13-25.

3. Смирнов А.И., Смирнов Б.И. и др. Теплоемкость и скорость звука биморфного композита 8Ю/81 // ФТТ. 2007. Т. 49, вып. 10. С. 1754-1759.

4. Байтелесов С.А., Досимбаев А.А., Салихбаев У.С. и др. Нейтронно-физические и тепло-гидравлические расчеты ВВР-СМ с ТВС из высоко-и низкообогащенного урана // Атомная энергия.

2008. Т. 104, вып. 5. С. 269-273.

5. Охоткин А.С., Боровикова Р.П., Нечаева Т.В. и др. Теплопроводность твердых тел. Справочник. М.: Атомэнергоиздат, 1984.

6. Берман Р. Теплопроводность твердых тел. М.: Мир, 1979.

7. Салихбаев У.С., Байтелесов С.А., Сандалов В.Н., Кунгуров Ф.Р., Халиков У.А. Электропроводность алюминиевых сплавов, облученных нейтронами // Атомная энергия. 2010. Т. 109. С. 186-189.

8. Абдукадырова И.Х., Таджибаев Д.П. Исследование механических свойств конструкционного алюминиевого сплава САВ-1 // Атомная энергия.

2009. Т. 107, вып. 2. С. 113-115.