Использование тяжелых ионов для моделирования радиационного повреждения металлов

Использование тяжелых ионов для моделирования радиационного повреждения металлов

Дан обзор существующих методов решения проблемы моделирования радиационного повреждения металлов с использованием тяжелых ионов, а также анализ полученных в ходе исследования результатов. Показано, что облучение металлов тяжелыми ионами может имитировать нейтронное облучение эквивалентной дозы с...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2011
Hauptverfasser: Широков, С.В., Вышемирский, М.П.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Державне підприємство "Державний науково-технічний центр з ядерної та радіаційної безпеки" Держатомрегулювання України та НАН України 2011
Schriftenreihe:Ядерна та радіаційна безпека
Online Zugang:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/97428
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Использование тяжелых ионов для моделирования радиационного повреждения металлов / С.В. Широков, М.П. Вышемирский // Ядерна та радіаційна безпека. — 2011. — № 3. — С. 59-62. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-97428
record_format dspace
spelling irk-123456789-974282016-03-29T03:02:28Z Использование тяжелых ионов для моделирования радиационного повреждения металлов Широков, С.В. Вышемирский, М.П. Дан обзор существующих методов решения проблемы моделирования радиационного повреждения металлов с использованием тяжелых ионов, а также анализ полученных в ходе исследования результатов. Показано, что облучение металлов тяжелыми ионами может имитировать нейтронное облучение эквивалентной дозы с достаточной точностью, предоставляя возможность детально изучить радиационное повреждение металлов. Наведено огляд наявних методів вирішення проблеми моделювання радіаційного пошкодження металів із застосуванням важких іонів, а також аналіз отриманих у ході дослідження результатів. Показано, що опромінення металів важкими іонами може імітувати нейтронне опромінення еквівалентної дози з достатньою точністю, уможливлюючи детальне вивчення радіаційного пошкодження металів. The methods for modeling radiation damage of metals using heavy ions are reviewed and the results obtained are analyzed. It is shown that irradiation of metals with heavy ions can simulate neutron exposure with the equivalent dose with adequate accuracy and permits a detailed analysis of radiation damage of metals. 2011 Article Использование тяжелых ионов для моделирования радиационного повреждения металлов / С.В. Широков, М.П. Вышемирский // Ядерна та радіаційна безпека. — 2011. — № 3. — С. 59-62. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 2073-6231 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/97428 621.039.53 ru Ядерна та радіаційна безпека Державне підприємство "Державний науково-технічний центр з ядерної та радіаційної безпеки" Держатомрегулювання України та НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
description Дан обзор существующих методов решения проблемы моделирования радиационного повреждения металлов с использованием тяжелых ионов, а также анализ полученных в ходе исследования результатов. Показано, что облучение металлов тяжелыми ионами может имитировать нейтронное облучение эквивалентной дозы с достаточной точностью, предоставляя возможность детально изучить радиационное повреждение металлов.
format Article
author Широков, С.В.
Вышемирский, М.П.
spellingShingle Широков, С.В.
Вышемирский, М.П.
Использование тяжелых ионов для моделирования радиационного повреждения металлов
Ядерна та радіаційна безпека
author_facet Широков, С.В.
Вышемирский, М.П.
author_sort Широков, С.В.
title Использование тяжелых ионов для моделирования радиационного повреждения металлов
title_short Использование тяжелых ионов для моделирования радиационного повреждения металлов
title_full Использование тяжелых ионов для моделирования радиационного повреждения металлов
title_fullStr Использование тяжелых ионов для моделирования радиационного повреждения металлов
title_full_unstemmed Использование тяжелых ионов для моделирования радиационного повреждения металлов
title_sort использование тяжелых ионов для моделирования радиационного повреждения металлов
publisher Державне підприємство "Державний науково-технічний центр з ядерної та радіаційної безпеки" Держатомрегулювання України та НАН України
publishDate 2011
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/97428
citation_txt Использование тяжелых ионов для моделирования радиационного повреждения металлов / С.В. Широков, М.П. Вышемирский // Ядерна та радіаційна безпека. — 2011. — № 3. — С. 59-62. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.
series Ядерна та радіаційна безпека
work_keys_str_mv AT širokovsv ispolʹzovanietâželyhionovdlâmodelirovaniâradiacionnogopovreždeniâmetallov
AT vyšemirskijmp ispolʹzovanietâželyhionovdlâmodelirovaniâradiacionnogopovreždeniâmetallov
first_indexed 2025-07-07T04:59:46Z
last_indexed 2025-07-07T04:59:46Z
_version_ 1836962955561795584
fulltext Ядерна та радіаційна безпека 3 (51).2011 59 М атериалы, используемые в быстром реакто- ре, а также перспективных установках ADS, ITER, подвержены высоким дозам облу- чения нейтронами. Облучения материалов нейтронами приводит к изменению их фи- зических и механических свойств и поэтому существенно влияет на работоспособность конструкций ядерных реакто- ров. Основным фактором, определяющим эти изменения, являются нарушения кристаллической решетки, характери- зирующиеся числом смещений атомов в кристаллической решетке за время облучения (число смещений на атом, англ. — displacements per atom, dpa). Это излучение вызы- вает серьезное радиационное повреждение материалов, что приводит к разрушению оборудования [1]. Исследование радиационных повреждений, обусловленных облучением большими дозами, весьма актуально и важно. Однако это исследование замедляется из-за отсутствия нейтронных и протонных источников, имеющих высокие плотности по- токов частиц. Моделирование с использованием облучения тяжелыми ионами представляет эффективный путь такого исследования [2]. Научно-исследовательским институтом Японии на реак- торной установке JJR-2 проведено облучение монокристал- лических образцов Al2O3 нейтронами с энергией En > 1 МэВ, при этом флюенс составлял 3⋅1020 см -2 [3]. Облучение ана- логичных образцов тяжелыми ионами 19F выполнено Китайским институтом атомной энергии на ускорителе HI-13. Энергия ионов соответствовала 85 МэВ при флюен- се 5,28⋅1016 см -2, что эквивалентно En > 1 МэВ при флюенсе 3⋅1020 см -2. После облучения проводился отжиг в атмосфере азота в течение 40 мин при температуре от 100 до 1050 °С с шагом 50 °С. Радиационные дефекты (вакансии и пустоты) выявлялись при дальнейшем облучении образцов позитро- нами при комнатной температуре методом измерения вре- мени жизни последних. Для этого использовался спектро- метр на основе BaF2 с раздельной способностью 210 пс. Два идентичных образца располагались «сендвичем», источник позитронов мощностью 0,8 МБк находился в центре между образцами. Каждый спектр жизней позитронов содержал 1,5⋅106 взаимодействий, которые были проанализированы с помощью LT-программы. Спектр жизней позитронов хорошо описывался двумя компонентами — τ1 и τ2 — при температуре ниже 450 °С, и третьей долгоживущей ком- понентой — τ3 — при температуре выше 450 °С. Из рис. 1 видно, что все параметры аннигиляции позитронов (такие, как время жизни и интенсивность) при облучении образцов тяжелыми ионами хорошо согласуются с результатами, по- лученными при облучении таких же образцов нейтронами эквивалентной дозы. Таким образом, можно сделать вывод, что облучение тяжелыми ионами может имитировать ней- тронное облучение эквивалентной дозы и открывает путь к надежному исследованию радиационных дефектов, воз- никающих в металлах при проведении опытов в лаборатор- ных условиях за минимальный период времени. После удачного эксперимента с алюминиевыми пласти- нами был проведен опыт с образцами нержавеющей стали аустенитного класса. MSS-316 (Modified Stainless Steel) имеет следующий состав, %: Cr — 15,05, Ni — 14,76; Ti — 0,32; P — 0,007; S — 0,007; Mn — 1,78; Si — 0,52; С — 0,048; Fe — 67,515 (Fe подбирался в остатке по массе). Образцы стали (их толщина составляла 0,5 мм) поддавались меха- ническому наклепу для улучшения механических свойств, а далее полировались до зеркального вида. Облучение проводилось при переменной температуре (меняющейся УДК 621.039.53 С. В. Широков, М. П. Вышемирский Национальный технический университет Украины  «Киевский политехнический институт», г. Киев Использование тяжелых ионов для моделирования радиационного повреждения металлов Дан обзор существующих методов решения проблемы мо- делирования радиационного повреждения металлов с исполь- зованием  тяжелых  ионов,  а также  анализ  полученных  в ходе  исследования результатов. Показано, что облучение металлов  тяжелыми  ионами  может  имитировать  нейтронное  облучение  эквивалентной  дозы  с достаточной  точностью,  предоставляя  возможность  детально  изучить  радиационное  повреждение  металлов. К л ю ч е в ы е   с л о в а:  радиационные  дефекты,  флюенс,  вакансии, тяжелые ионы, время жизни позитронов, отжиг. С. В. Широков, М. П. Вишемирський Застосування важких іонів для моделювання радіаційно- го пошкодження металів Наведено  огляд  наявних  методів  вирішення  проблеми  мо- делювання  радіаційного  пошкодження  металів  із  застосуван- ням важких іонів, а також аналіз отриманих у ході дослідження  результатів.  Показано,  що  опромінення  металів  важкими  іона- ми може імітувати нейтронне опромінення еквівалентної дози  з достатньою  точністю,  уможливлюючи  детальне  вивчення  радіаційного пошкодження металів. К л ю ч о в і   с л о в а:  радіаційні  дефекти,  флюенс,  вакансії,  важкі  іони, час життя позитронів, відпал. © С. В. Широков, М. П. Вышемирский, 2011 60 Ядерна та радіаційна безпека 3 (51).2011 С. В. Широков, М. П. Вышемирский от комнатной до 802 °С, точность измерения температуры ±5 °С) ионами 12С с энергией 70 МэВ на ускорителе HI-13. Интенсивность повреждений составляла 2,1 dpa· ч–1 для двух доз — 21 и 33 dpa. Время жизни позитронов измерялось в облученных и необлученных образцах од- ной и той же стали. Время жизни свободных позитронов в нержавеющей стали Stainless Steel составляет τf = 110 пс, а время жизни позитронов, попавших в моно-, ди-вакан- сии и дислокации, составляет соответственно τ1в = 1,3τf, τ2в = 1,5τf и τдис = 1,3τf . Для необлученного образца MSS-316 τ1в = 147 пс, τ2в = 271 пс: это средневзвешенное время ан- нигиляции позитронов в образце. Зависимость τ1в и τ2в от температуры отжига получена сначала для необлучен- ной стали MSS-316. Таким образом, было определено, что с ростом температуры отжига τ1в уменьшается и достигает 110 пс, а τ2в = 255 пс при 800 °С. Для облученных образцов MSS-316 зависимость τ1в и τ2в от температуры облучения представлена на рис. 2 (для 21 dpa). Из рисунка видно, что при комнатной температу- ре время жизни позитронов, попавших в ди-вакансию (τ2в) почти такое же, как и в необлученных образцах, тогда как время жизни позитронов, попавших в моно-вакансию, τ1в = 155,3 пс. Оба параметра τ1в и τ2в достигают своих пи- ковых значений 157,4 пс и 373,0 пс при 580 °С. При темпе- ратуре 802 °С τ1в = 128,2 пс и τ2в = 301,7 пс: в данном случае время жизни позитронов больше соответствующих значе- ний τ1в и τ2в в необлученных образцах, отожженных при 800 °С. Доли моно- и ди-вакансий и дислокаций уменьша- ются с ростом температуры облучения, кроме 580 °С, что можно интерпретировать как факт, что τ1в представляет со- бой средневзвешенное время жизни свободных позитронов и позитронов, захваченных на возникших дефектах. Время жизни позитронов τ1 дает пик при 580 °С. Конкуренция между сочетанием дефектов теплового движения и дефек- тов термического отжига приводит к увеличению доли ди- вакансий, что в свою очередь приводит к пику при этой Рис. 1. Зависимость времени жизни позитронов τ1, τ2, τ3 и их интенсивности I2 и I3 в образце Al2O3 от температуры отжига при их облучении нейтронами и ионами 19F эквивалентной энергии Ядерна та радіаційна безпека 3 (51).2011 61 Использование тяжелых ионов для моделирования радиационного повреждения металлов температуре. Самые большие пустоты или кластеры, харак- теризующиеся τ2, наблюдались также при 580 °С. Из температурной зависимости времени жизни пози- тронов τ2 в стали MSS-316 (рис. 3), полученной для 33 dpa, пик наблюдается так же при 580 °С. Видно, что ниже тем- пературы пика время жизни позитронов τ2 увеличивается с температурой облучения; следовательно, радиационные дефекты более чувствительны к температуре, чем к дозе облучения. Радиус образовавшихся пустот можно ориентировоч- но оценить по зависимости 1 3 v wsR N R= , где wsR — ра- диус Вигнера-Зейтса; N — число вакансий, содержащихся в микропустоте [2]. Результаты расчета среднего диаметра наблюдаемых пустот при различных температурах облу- чения (до 802 °С) на 21 и 33 dpa (рис. 3) свидетельствуют о том, что температура существенно влияет на диаметр микропустот и, таким образом, на радиационное распу- хание. Пик распухания нержавеющей стали варьируется в диапазоне 450–650 °С в зависимости от состава металла. При более низких температурах облучения дефекты ме- нее подвижны и вероятность их укрупнения мала. При более высоких температурах облучения имеет место ва- кансионный отжиг, и распухание происходит только при определенной температуре. В данном случае пик радиа- ционного распухания наблюдался при 580 °С, соответ- ствующие микропустоты содержали 14 и 19 вакансий со средним диаметром 0,68 и 0,82 нм для 21 и 33 dpa соот- ветственно. Как уже упоминалось, наклеп и добавление незначительного количества стабилизирующих элементов могут значительно уменьшить радиационное распухание в нержавеющей стали. Хотя радиационный пик распухания и обнаружен при 580 °С, а пустоты содержали по 14 и 19 вакансий со сред- ним диаметром 0,68 и 0,82 нм для 21 и 33 dpa соответст- венно, это распухание значительно меньше, чем в обычной нержавеющей стали, при исследовании которой пустота со средним диаметром 25,8 нм обнаружена при облучении с температурой 560 °С и общей дозой 3,2⋅1022 n ⋅ см-2, что эквивалентно использованной в опыте дозе облучения тя- желыми ионами [3]. Изучением этой же проблемы долгие годы занима- лись в российском Физико-энергетическом институте им. А. И. Лейпунского. В середине 1980-х под руководст- вом Ю. В. Конобеева были получены групповые библио- теки сечений образования дислокаций [4]. При расчетах по системе констант БНАБ до последнего времени исполь- зовалась именно оценка Ю. В. Конобеева и др. Однако данные DAMSIG-81, лежащей в основе этой библиотеки, были получены с использованием устаревших к настояще- му времени нейтронных данных ENDF/B-3. Поэтому было решено создать новую версию библиотеки сечений обра- зования дислокаций и на основании обновленных данных получить модель образования радиационных дефектов Рис. 2. Сравнение времени жизни позитронов облученной и необлученной стали MSS-316 Рис. 3. Температурная зависимость времени жизни позитронов τ2 и среднего диаметра микродефектов в стали MSS-316, облученных до доз 21 и 33 dpa 62 Ядерна та радіаційна безпека 3 (51).2011 С. В. Широков, М. П. Вышемирский в металлах. Расчет групповых сечений образования дисло- каций проводился с помощью программы NJOY-91 — при- знанного и широко используемого в мире программного средства для обработки файлов оцененных нейтронных данных. Методика расчета DPA, принятая в NJOY-91.4, базируется на каскадной функции Робинсона, основной идеей которой является принятие минимальных значе- ний энергии, необходимой для образования устойчивой пары Френкеля в различных материалах, — Еd. Опыт был проведен с помощью компьютерной симуляции на незави- симо разработанном модуле KERMA программы TERMIS в Физико-энергетическом институте им. А. И. Лейпун- ского. Верифицировались полученные данные сравнени- ем их с данными 175-групповой абсолютно независимой библиотеки групповых сечений образования дислокаций RLF-1. Полученные результаты оказались вполне удовлет- ворительными (рис. 4), что еще раз подтверждает возмож- ность моделирования радиационных дефектов с помощью тяжелых ионов [3]. Подводя итоги, можно сделать вывод, что облучение металлов тяжелыми ионами может имитировать нейтрон- ное облучение эквивалентной дозы с достаточной точно- стью и дает возможность детально изучить радиационное повреждение металлов. Рис. 4. Зависимость дозы облучения от энергии образования дислокаций Список литературы 1. Пищак, В. К. Электронный конспект лекций для студентов специальности «Атомные станции и установки»: Конструкционные материалы ядерных энергетических установок. — К.: КПИ, 2007. 2. Абрамович, М. Д. Радиационное материаловедение на АЭС. — М.: Энергоатомиздат, 1984. 3. Yongnan Zheng. Heavy ion irradiation simulation of high dose irradiation induced radiation effects in materials / Yongnan Zheng, Yi Zuo and others // Вопросы атомной науки и техники. — Х., 2009. — Вып. 4. 4. Забродская, С. В. Библиотека сечений образования транс- локаций, H2, He в системе константного обеспечения БНАБ-93 / С. В. Забродская, М. Н. Николаев // Всерос. ин-т науч. и техн. ин- формации — электронный ресурс. Надійшла до редакції 23.03.2011.

Ähnliche Einträge