Materiały Reaktorowe

Transkrypt

1 Materiały Reaktorowe

2 Dr inż. Paweł Stoch Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Katedra Ceramiki i Materiałów Ogniotrwałych kcimo.pl B6 p pstoch@agh.edu.pl Wykład 30 h + laboratorium 15 h

3 Literatura G.S. Was, Fundamentals of Radiation Materials Science. Metals and Alloys, Springer-Verlag, Berlin, L.I. Ivanov, Yu.M. Patov, Radiation physics of metals and its application, Cambridge International Science Publishing, Cambridge, M. Ashby, Materiały Inżynierskie, vol. 1,2, Wydawnictwa Naukowo Techniczne, Warszawa, Ch. Kittel, Wstęp do fizyki ciała stałego, PWN, Warszawa. M.I. Ojovan, W.E. Lee, An Introduction to Nuclear Waste Immobilisation, Elsevier Ltd., Oxford, I.W. Donald, Waste Immobilization in Glass and Ceramic Based Hosts. Radioactive, Toxic and Hazardous Waste, John Wiley & Sons Ltd., Chichester, 2010.

4 Radiation material science opisuje oddziaływanie promieniowania z materią. Największe efekty obserwuje się w przypadku materiałów pracujących w rdzeniu reaktorów energetycznych Atomy budujące strukturę elementów konstrukcyjnych są wielokrotnie wybijane ze swych położeń równowagi w trakcie cyklu pracy.

5 W konsekwencji obserwuje się: Zmiany kształtu i objętości kilkadziesiąt procent. Wzrost twardości pięć lub więcej razy Znaczny spadek plastyczności przy jednoczesnym wzroście kruchości. Wzrost podatności na środowiskowo uwarunkowane uszkodzenie materiału. Czynniki te są niekorzystne z punktu widzenia długości czasu pracy materiału a tym samym żywotności urządzenia.

6 W celu przeciwdziałania tym czynnikom: Jak najlepsze poznanie wpływu promieniowania na materię. Oddziaływania promieniowania z ciałem stałym. Zmiana warunków pracy ( temperatury, położenia, środowiska pracy ). Projektowanie nowych materiałów ( stopy odporne na działanie promieniowania ) lepiej sprawdzających się w danym środowisku pracy.

7 1. Wprowadzenie struktura krystaliczna, rzeczywista struktura materiałów, mikrostruktura, defekty wiązanie chemiczne, struktura pasmowa, właściwości mechaniczne, stałe siłowe

8 2. Uszkodzenia radiacyjne rozpraszanie elastyczne, nieelastyczne, zderzenia, oddziaływania pomiędzy jonami, przekroje czynne, straty energii, kanałowanie, kaskada, przekaz energii, straty energii defekty punktowe i ich dyfuzja, dyslokacje, granice międzyziarnowe przejście porządek nieporządek, amorfizacja struktury krystalicznej, stabilność fazowa implantacja jonowa, modyfikacja powierzchni

9 3. Wpływ uszkodzeń radiacyjnych na właściwości fizyczne materiałów odkształcenia plastyczne i elastyczne puchnięcie, kruszenie, pełzanie, pękanie

10 4. Symulacje uszkodzeń radiacyjnych w materiałach metodą dynamiki molekularnej podstawy fizyczne symulacji dynamiki molekularnej konstrukcja potencjału oddziaływań jon jon algorytmy: npt, nvt, nve przewidywanie właściwości fizycznych materiałów

11 5. Utlenianie i korozja utlenianie metali korozja mokra i sucha wpływ wysokich ciśnień wpływ naprężeń warstwy ochronne

12 6. Immobilizacja odpadów radioaktywnych cementowanie witryfikacja zamykanie w materiałach szkło krystalicznych i mineralnych

13 1. Budowa ciał stałych ( 3 h ) - wiązanie chemiczne, struktura krystaliczna, szkła - defekty struktury krystalicznej, teoria pasmowa 2. Właściwości mechaniczne ciał stałych ( 1,5 h ) - stałe elastyczne, naprężenia, płynięcie lepkościowe, pękanie, zniszczenie materiału. 3. Podstawy uszkodzeń radiacyjnych ( 3 h ) - oddziaływanie neutron jon, jon atom, przemieszczenie atomów w ciele stałym, kaskada - powstawanie i dyfuzja defektów punktowych, oddziaływania pomiędzy defektami

14 4. Symulacje uszkodzeń radiacyjnych w materiałach (1,5h) - technika dynamiki molekularnej, konstrukcja potencjału oddziaływań, podstawowe algorytmy 5. Fizyczne efekty uszkodzeń radiacyjnych ( 3 h ) - segregacja fazowa w stopach, mikrostruktura dyslokacji - formowanie luk i pęcherzy, stabilność fazowa, modyfikacja jonowa 6. Wpływ uszkodzeń radiacyjnych na właściwości mechaniczne ( 3 h ) - radiacyjne umacnianie, deformacja, pękanie, kruchość, pełzanie, wzrost

15 7. Wpływ warunków środowiska pracy na pękanie napromieniowanych metali i stopów ( 1,5 h ) - wpływ ciśnienia, temperatury, medium chłodzącego 8. Materiały dla immobilizacji odpadów radioaktywnych (3h) - cementowanie, asfaltowanie, witryfikacja - zamykanie odpadów w kompozytach szkło ceramicznych oraz fazach krystalicznych

16

17

18 Uszkodzenie radiacyjne ( radiation event) Neutrony, jony, elektrony, promieniowanie γ posiadają zdolność do wybijania atomów z ich położeń sieciowych. Promieniowanie wybija atom z jego położenia sieciowego, generując w tym miejscu lukę, a wybity atom trafia w położenie międzywęzłowe. Para luka i atom międzywęzłowy nazywana jest parą Frenkla. Proces uszkodzenia radiacyjnego kończy się w momencie gdy pierwszy wybity atom ( PKA primary knock-on atom ) zostanie zatrzymany, przejdzie w stan spoczynku. Proces ten trwa ok s. Wszystkie późniejsze procesy np. segregacja fazowa, puchnięcie, przejścia fazowe są tzw. efektami fizycznymi promieniowania.

19 Kaskada

20 Kaskada Symulacje uszkodzeń radiacyjnych w UO 2

21 Kaskada

22 Segregacja fazowa Stop Ni-1%at.Si Ni + w C % większa koncentracja Si na powierzchni oraz na granicach międzyziarnowych niż w litym materiale

23 Segregacja Atomic maps of various solute atoms in neutron-irradiated 304 stainless steel.

24 Przemiany fazowe Roztwór stały Ni 12.8% at.al 5 MeV Ni + Tworzy się faza: Ni 3 Al

25 Puchnięcie Ni a = 1 cm n/cm 2 DV = 20% a = 1.06 cm -przyrost izotropowy - tworzenie luk d= 1cm n/cm 2 U h=10 cm V = 7.85 cm 3 d = 0.58 cm h = 30 cm V = 7.85 cm 3

26 Puchnięcie

27 Puchnięcie

28 Puchnięcie

29 Zmiany w mikrostrukturze a. b. Obraz SEM pastylki UO 2 : a. przed wypaleniem b. po wypaleniu

30 Pęcherze

31 Pęcherze Pęcherzyki helu w metalicznym molibdenie

32 Zmiany własności mechanicznych Przykład korozji pod wpływem środowiska wodnego i promieniowania w reaktorze LWR.

33 Zmiany własności mechanicznych

34 Zmiany własności mechanicznych

35 Granica plastyczności

36 Uszkodzenie radiacyjne w ZrSiO 4 Amorfizacja struktury

37

38

39

40