Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Физико-математические науки
Физика конденсированного состояния

Диссертационная работа:

Боровицкая Ирина Валерьевна. Исследование физико-химических свойств малоактивируемых сплавов на основе системы ванадий-галлий для ядерной энергетики : диссертация ... кандидата физико-математических наук : 01.04.07.- Москва, 2006.- 131 с.: ил. РГБ ОД, 61 06-1/798

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 4

Глава 1. Аналитический обзор литературы 9

1.1. Основные направления разработки малоактивируемых конструкционных материалов 9

1.2. Механические и физические свойства необлученных сплавов системы Vi-Cr 14

1.3. Влияние примесей внедрения на свойства ванадиевых сплавов 15

1.4. Влияние облучения на микроструктуру и механические свойства сплавов системы Vi-Cr 17

1.5. Распухание ванадиевых сплавов 19

1.6. Термическая и радиационная ползучесть ванадиевых сплавов 20

1.7. Коррозионная стойкость ванадиевых сплавов в литии 22

1.8. Влияние гелия на свойства ванадиевых сплавов 24

1.9. Малоактивируемые сплавы, альтернативные сплаву V-4Cr-4Ti

1.10. Основные сведения о ванадии и легирующих элементах в исследуемых сплавах 28

1.11. Обоснование целесообразности разработки сплавов на основе системы V-Ga как материалов, альтернативных сплавам на основе системы Vi-Cr 33

Глава 2. Методика проведения исследований 35

Глава 3. Микроструктура и фазовый состав сплавов 46

3.1. Металлографические и рентгеноструктурные исследования сплавов систем V-Ga, V-Ga-Cr(Ce), V-Ga-Si 46

3.2. Металлографические и рентгеноструктурные исследования сплавов системы V-Ga-Si 50

Глава 4. Свойства исследуемых сплавов без облучения 54

4.1. Механические свойства исследуемых сплавов при растяжении 54

4.1.1. Механические свойства при комнатной температуре 54

4.1.2. Механические свойства сплавов при повышенных температурах 59

4.2. Влияние легирования на теплопроводность и упругие свойства сплавов V-Ga : 65

4.3. Исследование процесса испарения ванадия и сплава V-3,66Ga 75

4.4. Коррозионная стойкость в литии сплавов системы V-Ga 81

Глава 5. Влияние нейтронного облучения и высокотемпературной импульсной дейтериевой плазмы на ванадий и сплавы системы V-Ga 87

5.1. Влияние облучения быстрыми нейтронами на свойства сплавов систем V-Ga, V-Ga-Ce, V-Ga-Cr 87 .

5.2. Воздействие высокотемпературной импульсной дейтериевой плазмы на ванадий и сплавы системы V-Ga-Si

5.2.1. Воздействие высокотемпературной импульсной дейтериевой плазмы на нелегированный ванадий 100

5.2.2. Воздействие высокотемпературной импульсной дейтериевой плазмы на сплавы системы V-Ga-Si 112

Выводы 117

Список литературы 120  

Введение к работе:

Актуальность работы. Одним из наиболее перспективных направлений дальнейшего развития энергетики является создание реакторов термоядерного синтеза. Их принципиальное преимущество перед ядерными источниками энергии заключается в возможности свести к минимуму накопление долгоживущих радионуклидов и радиоактивных отходов за счет применения конструкционных материалов с ускоренным спадом наведенной радиоактивности. Использование таких малоактивируемых материалов не только облегчит эксплуатацию и повысит экологическую безопасность ядерных установок, но и снизит материальные затраты на переработку и захоронение радиоактивных отходов.

В общем случае конструкционные сплавы для термоядерных реакторов (ТЯР) должны обладать, помимо ускоренного спада наведенной радиоактивности, определенным комплексом механических свойств как в необлученном, так и в облученном состоянии, высокой термостойкостью, хорошей совместимостью с теплоносителем, высоким сопротивлением распуханию, хорошей технологичностью.

В настоящее время разработан ряд проектов термоядерных реакторов, в которых, в зависимости от конструктивных особенностей и условий эксплуатации, предполагается использовать различные классы металлических конструкционных материалов, а именно: аустенитные стали, стали ферритно-мартенситного и мартенситного классов и ванадиевые сплавы [1, 2]. В демонстрационных термоядерных реакторах (DEMO) для температур первой стенки 600-700°С рассматривается вариант применения сплавов на основе ванадия в сочетании с литиевым теплоносителем. Преимущества этих сплавов связаны с лучшими, чем у сталей, активационными характеристиками, высокой термостойкостью, большей механической прочностью при 600-700°С, высокой радиационной стойкостью при температурах - 400-600°С и хорошей коррозионной стойкостью в жидком литии при 600-700°С.

Разработка сплавов ванадия для первой стенки ТЯР в настоящее время ведется, в основном, на базе системы Vi-Cr. В качестве наиболее перспективного сплава выбран состав V-4Ti-4Cr [3-5]. Однако, наряду с рядом положительных эксплуатационных свойств, эти сплавы имеют и существенные недостатки, главный из которых - их практически полное охрупчивание при температурах облучения ниже 400°С даже при относительно низких нейтронных флюенсах 5-1021 см"2 [6-8]. Кроме того, расчеты активируемости показали, что легирование титаном ухудшает активационные параметры сплавов, что обусловлено наработкой 39Аг и 42Аг -элементов-трансмутантов с длительным периодом распада [9].

В качестве альтернативных материалов в Институте металлургии и материаловедения им. А.А.Байкова РАН, совместно с ГЕОХИ РАН, разрабатываются сплавы на основе системы V-Ga. Из всех оцененных в настоящее время гипотетически чистых металлических элементов скорость спада наведенной радиоактивности галлия после облучения в нейтронном спектре реактора DEMO наибольшая [10]. Этот факт предопределяет, что и сплавы на основе системы V-Ga будут иметь более высокую скорость спада наведенной радиоактивности по сравнению со сплавами системы Vi-Сг. Исследование свойств сплавов системы ванадий-галлий и было предметом данной работы. В качестве дополнительных легирующих элементов в работе использовались Сг, который повышает прочность и жаропрочность сплавов, Si, который также дополнительно упрочняет сплавы и Се, имеющий большое сродство к О и N, который, как предполагалось, будет связывать азот при коррозионных испытаниях в литии, препятствуя его проникновению в сплав.

Целью настоящей работы являлось установление закономерностей поведения сплавов системы V-Ga под действием внешних факторов: механических нагрузок, температуры, облучения нейтронами и импульсами высокотемпературной плазмы, а также выработка рекомендаций для практического использования сплавов оптимальных составов в качестве конструкционных материалов для реакторов термоядерного синтеза.

Для достижения указанных целей необходимо было решить следующие задачи:

• изучение структуры и фазового состава исследуемых материалов, определение предела растворимости легирующих элементов и области существования твердых растворов; • исследование зависимостей физических и механических свойств от состава сплавов двойных и тройных систем (V-Ga, V-Ga-Si, V-Ga-Ce, V-Ga-Cr) в широком интервале температур;

• исследование коррозионной стойкости ванадий-галлиевых сплавов в литии;

• исследование изменения физических и механических свойств сплавов после их нейтронного облучения, а также при воздействии импульсов дейтериевой плазмы.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

1. Впервые проведены исследования физико-механических свойств (теплопроводности, модулей упругости, механических свойств при растяжении) сплавов систем V-Ga, V-Ga-Si и V-Ga-Cr в широком интервале температур.

2. При проведении исследований процесса испарения галлия из ванадий-галлиевого сплава, определены активность, коэффициент активности и коэффициент диффузии галлия в сплаве при 1120°С. Установлено, что твердые растворы V-Ga имеют отрицательное отклонение от идеальности, что указывает на образование в них ближнего порядка с преимущественными связями между разнородными атомами.

3. Впервые проведена оценка коррозионной стойкости в литии сплавов систем V-Ga, V-Ga-Cr и V-Ga-Ce.

4. Изучено распухание ванадий-галлиевых сплавов после облучения в быстром реакторе БР-10 при температуре 400°С до нейтронного флюенса 4,24-1025 н/м2 ( 0,1 МэВ). Определено влияние нейтронного облучения на изменение физико-механических характеристик исследуемых сплавов (теплопроводность, модуль Юнга, модуль сдвига).

5. Показано, что примеси внедрения в сплавах V-Ga находятся в твердом растворе как в необлученном, так и в облученном состоянии, в то время как в сплавах Vi и V-Ті-Сг они связаны в химические соединения.

6. При облучении ванадия и сплавов системы V-Ga-Si импульсной дейтериевой плазмой обнаружено сверхглубокое проникновение дейтерия в ванадий и сплав, приводящее к изменению их механических свойств и образованию пор; установлено, что часть частиц ванадия при ударном импульсном воздействии кумулятивно выбрасывается с необлученной стороны мишени. Практическая значимость результатов работы:

1. При исследовании низкочастотного внутреннего трения ванадия и сплавов систем V-Ga, Vi и Vi-Cr впервые показано, что примеси кислорода и азота в сплавах системы V-Ga находятся в твердом растворе как до, так и после облучения, в то время как в сплавах систем Vi и Vi-Cr они связаны в химические соединения.

2. Определены активность, коэффициент активности и коэффициент диффузии галлия в ванадий-галлиевом сплаве при 1120°С.

3. На основании экспериментальных данных по нейтронному облучению установлено, что галлий подавляет процесс распухания ванадия.

4. Полученные экспериментальные результаты по влиянию легирования галлием на физико-механические и коррозионные свойства сплавов ванадия могут быть использованы при разработке новых радиационно-стойких малоактивируемых материалов для атомной и термоядерной энергетики.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследований влияния галлия на структуру и физико-механические свойства ванадия.

2. Результаты исследования низкочастотного внутреннего трения сплавов систем V-Ga, V-Ga-Cr, V-Ga-Ce, Vi и Vi-Cr.

3. Результаты определения активности, коэффициента активности и коэффициента диффузии сплава.ванадий-галлий.

4. Результаты изучения коррозионной стойкости в литии сплавов системы ванадий-галлий.

5. Результаты исследований влияния галлия на распухание ванадия.

6. Результаты определения влияния нейтронного облучения на теплопроводность и модули упругости сплавов ванадия.

7. Результаты изучения воздействия импульсов дейтериевой плазмы на ванадий и сплавы системы ванадий-галлий-кремний. Апробация работы:

Основные результаты диссертационной работы были доложены на VII и VIII Международных конференциях по материалам для термоядерной энергетики ICFRM (1995 г., 1997 г.), VIII, IX, XI-XV Межнациональных совещаниях «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, 1998, 1999, 2001-2005 г.), IV и VII Российско-китайских симпозиумах «Новые материалы и технологии» (Калуга, 1995г., Пекин, 2001 г.); 11-м Международном конгрессе по физике плазмы (Австралия, 2002 г.), 21-м Симпозиуме по физике плазмы и технологии (Чехословацкая Республика, 14-17 июня 2004 г.), Межвузовской научной школе молодых специалистов «Концентрированные потоки энергии в космической технике, электронике, экологии и медицине» (МГУ, 2002 г.).

Публикации:

По материалам диссертации опубликовано 26 печатных работ.

Структура и объем диссертации:

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка использованной литературы (128 наименований). Общий объем диссертации 131 страница, включая 37 рисунков и 14 таблиц.

Автор благодарит кандидата технических наук Анатолия Ивановича Дедюрина за помощь и ценные рекомендации, данные им автору в процессе работы над диссертацией.  

Подобные работы
Мейснер Людмила Леонидовна
Механические и физико-химические свойства сплавов на основе никелида титана с тонкими поверхностными слоями, модифицированными потоками заряженных частиц
Рыженко Виктор Харлампиевич
Исследование механических, физико-технических и теплофизических свойств бетонов на основе минеральных сырьевых добавок Амурской области
Усов Валентин Валентинович
Влияние текстуры деформации и отжига на анизотропию физико-механических свойств некоторых металлов и сплавов с кубической решеткой
Епишин Александр Игоревич
Структура, анизотропия физико-механических свойств и механизмы высокотемпературной ползучести монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов
Чекалкин Тимофей Леонидович
Исследование знакопеременной деформации, внутреннего трения и демпфирующих свойств сплавов на основе никелида титана
Печина Елена Анатольевна
Структура и свойства сплавов на основе ГЦК-металлов при вибромеханическом деформировании
Перов Андрей Викторович
Влияние термической и импульсной фотонной обработки на упругие и неупругие свойства аморфных металлических сплавов на основе железа
Кунцевич Татьяна Эдуардовна
Закономерности формирования микроструктуры, фазовых превращений и свойств быстрозакаленных из расплава сплавах на основе никелида титана с эффектами памяти формы
Матвеев Данила Викторович
Структура и свойства массивных аморфных и нанокристаллических сплавов на основе Zr и Fe
Иванов Олег Геннадьевич
Особенности формирования физических свойств и разработка новых аморфных магнитомягких сплавов на основе кобальта

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net