Поведение гелия в конструкционных материалах ядерных

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Физико-технический факультет

Кафедра «Физические проблемы материаловедения» (№9)

Отчет по лабораторной работе по курсу:

«Специальные вопросы материаловедения ТЯР»:

Поведение гелия в конструкционных материалах ядерных

и термоядерных реакторов»

Выполнил: Якушкин А.А.

Группа: Ф9-04Р

Приняли: Польский В.И.

Чернов И.И.

Москва, 2012

Цель работы: Выявление закономерностей поведения гелия в металлах и сплавах и определение механизма выделения ионно-внедренного гелия на основе сопоставления рассчитанной эффективной энергии активации газовыделения с энергиями активации поверхностной и объемной самодиффузии исследуемого материала.

Оборудование, приборы и материалы:

· Гелиевый течеискатель ПТИ – 10М;

· Образцы облученные ионами Не⁺-40кэВ, 5∙ 10²⁰ ион/м², Т»20°С.

Методика исследования:

· Термодесорбционная масс-спектрометрия (ТДС).

Рисунок 1 – Вакуумная схема установки для исследования термодесорбции гелия.

Расчетные формулы:

,

где k – постоянная Больцмана (8, 6·10^-5 эВ/ К);

a₁ и a₂ – скорости нагрева [К/с];

Т_m1 и Т_m2 – температуры пиков газовыделения.

Результаты исследования:

На рисунке 2 показан спектр ТДС для ванадиевого сплава V-4Ti-4Cr, облученного при комнатной температуре.

Рисунок 2 – Типичные спектры ТДС ванадиевого сплава V-4Ti-4Cr, облученного ионами Не⁺ с энергией 40 кэВ при 20 °С до дозы 5× 10²⁰ м^-2 при скорости нагрева a₁ = 1, 2 К/с; a₂ = 3 К/с

При росте дозы ионного облучения происходит накопление газа и образования радиационных дефектов, изменение структуры облучаемого слоя материала, а затем появление газовых пузырьков, которое может привести к разрушению поверхности.

При флюенсе ионов £ 5× 10²⁰ м^-2 выделение гелия происходит только при высоких температурах. При увеличении дозы при низких температурах объемная плотность пузырьков увеличивается и при дозах 10²¹ выходит на насыщение, размеры пузырьков практически не меняются.

Таблица 1 – Экспериментальные данные.

Выделение гелия при использованном флюенсе облучения происходит в виде миграции газонаполненных пузырьков, а не диффузией атомарного гелия, при этом первые пузырьки пересекают поверхность при миграции по границам зерен, а затем выходят из тела зерна. На спектре ТДС эти пики не разрешаются, хотя энергии активации этих процессов могут отличаться. Также возможно выделение небольшой части гелия и из растворяющихся при нагреве мельчайших пузырьков (гелий-вакансионных комплексов). Поэтому говорят об эффективной энергии активации газовыделения в данном пике спектра ТДС.

Существует три механизма миграции пузырьков в металле:

1. механизм испарения-конденсации (в данной работе градиент температуры по сечению пузырька отсутствует);

2. механизм поверхностной диффузии;

3. механизм объемной диффузии.

В чистых металлах превалирующим механизмом миграции пузырьков является поверхностная диффузи. При осаждении на поверхность пузырька атомов легирующих элементов, имеющих большое положительное размерное несоответствие с атомом матрицы, или примесных элементов (например, углерод), вклад объемной диффузии в миграцию пузырьков возрастает и может стать превалирующим в высоколегированных сплавах.

В использованном при выполнении лабораторной работы флюенсе ионов Не⁺

(Ф = 5× 10²⁰ м^-2) выделение гелия в единственном интенсивном пике ТДС происходит только за счет миграции пузырьков и выходом их на поверхность образца.

а)     б)     в)

Рисунок 3 – Схема миграции пузырьков по трем механизмам: а) испарение-осаждение; б) поверхностная диффузия атомов; в) объемная диффузия атомов.

Выводы

В работе проводилось выявление закономерностей поведения гелия в металлах и сплавах и определение механизма выделения ионно-внедренного гелия на основе сопоставления рассчитанной эффективной энергии активации газовыделения с энергиями активации поверхностной и объемной самодиффузии исследуемого материала

При исследовании образца сплава на основе ванадия методом термодесорбционной масс-спектрометрии рассчитана эффективная энергия активации газовыделения:

Е ≈ (1, 7±0, 1) эВ.

Следовательно, миграция пузырьков обусловлена преимущественно объемной диффузией.