Materiały Reaktorowe. Efekty fizyczne uszkodzeń radiacyjnych c.d.

Transkrypt

1 Materiały Reaktorowe Efekty fizyczne uszkodzeń radiacyjnych c.d.

2 Luki (pory) i pęcherze Powstawanie i formowanie luk zostało zaobserwowane w 1967 r. Podczas formowania luk w materiale następuje jego puchnięcie objętościowe To zaskakujące odkrycie spowolniło rozwój energetyki jądrowej w USA na prawie dekadę. Luki w tej liczbie i gęstości jaka została zaobserwowana powodowały kilkudziesięcio procentowy wzrost objętości prowadzący do znacznych zmian w wymiarach elementów konstrukcyjnych reaktora. Zaobserwowano również powstawanie pęcherzy wypełnionych gazami szlachetnymi.

3 Luki (pory) i pęcherze Siłą napędową powstawania luk jest przesycenie wakancjami zdefiniowana: S v C C C V 0 równowagowa koncentracja wakancji v 0 v Podczas napromieniowywania defekty formują klastry, które mogą rosnąć na wskutek absorpcji tego samego typu defektów lub kurczyć się gdy absorbują defekty przeciwnego typu.

4 Luki i pęcherze Wzrostowi luki musi towarzyszyć większa absorpcja wakancji aniżeli jonów międzywęzłowych. Prąd nukleacji ( zarodkowania ) strumień wakancji przepływający z mniejszego do większego klastra. Zmiana energii swobodnej ciała stałego na wskutek powstania luki sferycznej zbudowanej z n wakancji dana jest: G 0 n T S H nkt ln S v 2 1/3 2/ 3 36 n objętość pojedynczej wakancji energia powierzchniowa Wzrost entropii wywołany generacją defektów Człon związany ze wzrostem energii powierzchniowej

5 Luki i pęcherze Krytyczny rozmiar zarodka

6 Luki i pęcherze bez uwzględnienia jonów międzywęzłowych z uwzględnieniem jonów międzywęzłowych

7 Luki i pęcherze Prędkość zarodkowania luk jest zależy od wysokości bariery aktywacyjnej G. Jony międzywęzłowe podnoszą barierę aktywacyjną i obniżają współczynnik nukleacji. Krytyczny rozmiar zarodka jest tym wyższy im wyższa jest wartość bariery aktywacyjnej G. Współczynnik nukleacji jest silnie uzależniona od przesycenia wakancjami ( im wyższe przesycenie tym wyższa prędkość ). Współczynnik nukleacji jest tym mniejszy im wyższa jest prędkość rekombinacji wakancji.

8 Luki i pęcherze Atomy gazów szlachetnych mogą stabilizować zarodek krytyczny i przyspieszać proces nukleacji. Uważa się są zawsze zaangażowane w formowanie luk. Produkowane w efekcie transmutacji gazy szlachetne rozpuszczają się w stali. Atomy gazów szlachetnych są bardzo nieruchliwe w porównaniu z wakancjami i jonami międzywęzłowymi. Złapane przez zarodek krytyczny są w nim trwale związane.

9 Luki i pęcherze

10 Puchnięcie Powstawanie trwałych luk powoduje, że jony międzywęzłowe muszą lokować się w innych miejscach. Prowadzi to do ich odkładania się np. na powierzchni a tym samym zwiększania objętości materiału, który staje się coraz bardziej porowaty. Współczynnik powstawania luk jest proporcjonalny do względnego puchnięcia materiału V V 4 3 R 3 v Gęstość luk Średni promień luk

11 Puchnięcie Ni a = 1 cm n/cm 2 V = 20% a = 1.06 cm -przyrost izotropowy - tworzenie luk

12 Puchnięcie

13 Puchnięcie Zależność temperaturowa puchnięcia jest podobna do zależności temperaturowej RIS. Efekty wywołujące oba te zjawiska są takie same. Niska ruchliwość defektów kontroluje proces w niskich temperaturach. Bardzo wysoka ruchliwość defektów w wysokich temperaturach ułatwia ich rekombinację.

14 Puchnięcie w niskich temp. proces jest kontrolowany przez wielkość luk w wysokich temp. proces kontrolowany przez malejącą gęstość luk.

15 Puchnięcie

16 Puchnięcie

17 Puchnięcie

18

19

20 Puchnięcie Domieszki mogą wiązać trwale defekty. Prowadzi to do zwiększenia energii aktywacji luk.

21 Puchnięcie

22 Puchnięcie

23 Przemiany fazowe Radiacyjnie wywołana ( przyspieszona ) dyfuzja oraz segregacja powodują wzmożony transport i przemieszczanie atomów w stopie. Prowadzi to do wzbogacenia lub zubożenia granic międzyziarnowych i powierzchni w wybrane składniki stopu. Może to przyczynić się do powstawania wtrąceń innych faz jeśli koncentracja jednego ze składników przekroczy jego limit rozpuszczalności w stopie.

24 Przemiany fazowe

25 Przemiany fazowe

26 Przemiany fazowe

27 Przemiany fazowe

28 Nieporządek Promieniowanie powoduje zmniejszenie uporządkowania dalekozasięgowego w stopach. Odbywa się to przez wprowadzenie wakancji, jonów międzywęzłowych, przemieszczeń atomów itp. zaburzających uporządkowanie w stopie. Nieuporządkowane stopy powracają do równowagi termodynamicznej na wskutek procesów dyfuzyjnych, które z kolei mogą być przyspieszane przez promieniowanie. Powoduje to z drugiej strony wzrost uporządkowania stopu. Dlatego promieniowanie wywołuje dwa konkurencyjne procesy: wzrost nieporządku, a następnie ponowne porządkowanie. Wywołując przejście porządek nieporządek porządek w stopie.

29 Przemiany fazowe porządek nieporządek transformacja struktury krystalicznej: A B struktura krystaliczna A kwazi kryształy struktura krystaliczna A faza amorficzna

30