Моделирование влияния осколков деления урана на материал оболочек тепловыделяющих элементов реакторов тяжелыми ионами высоких энергий
Образцы алюминия были облучены ионами ⁸⁴Kr с энергией 245 МэВ до флюенса 10¹⁴ ион/см² под различными углами к поверхности образца и ионами ¹²⁹Хе с энергией 124 МэВ до флюенса 10¹⁵ ион/см² перпендикулярно к поверхности образца. Методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии исследовали...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Дата: | 2005 |
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2005
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80587 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Моделирование влияния осколков деления урана на материал оболочек тепловыделяющих элементов реакторов тяжелыми ионами высоких энергий / А. Хофман, А.Ю. Дидык, В.К. Семина, В. Штеке // Вопросы атомной науки и техники. — 2005. — № 5. — С. 16-21. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860128048363339776 |
|---|---|
| author | Хофман, А. Дидык, А.Ю. Семина, В.К. Штеке, В. |
| author_facet | Хофман, А. Дидык, А.Ю. Семина, В.К. Штеке, В. |
| citation_txt | Моделирование влияния осколков деления урана на материал оболочек тепловыделяющих элементов реакторов тяжелыми ионами высоких энергий / А. Хофман, А.Ю. Дидык, В.К. Семина, В. Штеке // Вопросы атомной науки и техники. — 2005. — № 5. — С. 16-21. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | Образцы алюминия были облучены ионами ⁸⁴Kr с энергией 245 МэВ до флюенса 10¹⁴ ион/см² под различными углами к поверхности образца и ионами ¹²⁹Хе с энергией 124 МэВ до флюенса 10¹⁵ ион/см² перпендикулярно к поверхности образца. Методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии исследовали изменения структуры поверхности алюминия, облученного ионами ¹²⁹Хе, после отжига при температурах 250, 480 и 600°С и ионами ⁸⁴Kr непосредственно после облучения. Обнаружено, что при отжиге происходят различные изменения структуры поверхности имплантированного алюминия. При температуре отжига 250°С не наблюдается каких-либо структурных изменений поверхности. При 480°С появились маленькие ямки вдоль границ субзерен, а при 600°С на имплантированной поверхности видны микротрещины, маленькие ямки, пузырьки, блистеры, раковины, губчатая структура и чешуйки. После облучения ионами ⁸⁴Kr обнаружено появление трещин на поверхности алюминия при увеличении углов облучения, т.е. при приближении профиля залегания ионов криптона к поверхности. Обсуждается влияние температуры на подвижность ксенона и формирование пузырьков, а также образование микротрещин.
Зразки алюмінію були опромінені іонами ⁸⁴Kr з енергією 245 МэВ до флюенса 10¹⁴ іон/см² під різними кутами до поверхні зразка й іонами ¹²⁹Хе з енергією 124 МэВ до флюенса 10¹⁵ іон/см² перпендикулярно до поверхні зразка. Методами сканируючої і просвічуючої електронної мікроскопії досліджували зміни структури поверхні алюмінію, опроміненого іонами ¹²⁹Хе, після відпалу при температурах 250, 480 і 600°С и іонами ⁸⁴Kr безпосередньо після опромінення. Виявлено, що при відпалі відбуваються різні зміни структури поверхні імплантованого алюмінію. При температурі відпалу 250°С не спостерігається яких-небудь структурних змін поверхні. При 480°С з'явилися маленькі ямки уздовж границь субзерен, а при 600°С на імплантованій поверхні видні мікротріщини, маленькі ямки, пухирці, блістери, раковини, губчаста структура й лусочки. Після опромінення іонами ⁸⁴Kr виявлена поява тріщин на поверхні алюмінію при збільшенні кутів опромінення, тобто при наближенні профілю залягання іонів криптону до поверхні. Обговорюється вплив температури на рухливість ксенону й формування пухирців, а також утворення мікротріщин.
Aluminum samples were irradiated by ⁸⁴Kr ions with energy 245 MeV up to the fluence 10¹⁴ ion/cm2 at various angles to the sample surface and ¹²⁹Xe ions with energy 124 MeV up to the fluence 10¹⁵ ion/cm2 perpendicular to surface. The changes of aluminum surface structure irradiated by ¹²⁹Xe ions after annealing at temperatures 250, 480 and 600°C were studied using scanning and transmission electronic microscopy. The analogies studies were carried out at the aluminum samples directly after irradiation by ⁸⁴Kr ions. It was shown that after annealing at various temperatures different changes take a place. Irradiated aluminum surface kept the initial structure after annealing at 250 °C. The small pits along the boundaries of sub grains were observed on the samples after annealing at 480°C. The micro cracks, small pits, bubbles, blisters, blebs, sponge structure and flaces form were detected on the irradiated aluminum surfaces after annealing at the 600°C. The creation of cracks were observed on the aluminum surface irradiated at various angles by ⁸⁴Kr ions (without annealing), when the angles are increased. It can be explained by the changes of depth position of ⁸⁴Kr ion profiles relatively to the surface (decreasing the distance between profile and surface). The influence of temperature on the mobility of implanted krypton ions and the bubble and crack creation is discussed.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:43:03Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 539.12.04
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОСКОЛКОВ ДЕЛЕНИЯ
НА МАТЕРИАЛ ОБОЛОЧЕК ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ
РЕАКТОРОВ ТЯЖЕЛЫМИ ИОНАМИ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ
А. Хофман1,2, А. Ю.Дидык2, В.К. Семина2, В. Штеке1
1Институт атомной энергии, г. Сверк, Республика Польша;
2Объединенный институт ядерных исследований, г. Дубна Московской области,
Россия
Образцы алюминия были облучены ионами 84Kr с энергией 245 МэВ до флюенса 1014 ион/см2 под различ-
ными углами к поверхности образца и ионами 129Хе с энергией 124 МэВ до флюенса 1015 ион/см2 перпенди-
кулярно к поверхности образца. Методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии ис-
следовали изменения структуры поверхности алюминия, облученного ионами 129Хе, после отжига при тем-
пературах 250, 480 и 600°С и ионами 84Kr непосредственно после облучения. Обнаружено, что при отжиге
происходят различные изменения структуры поверхности имплантированного алюминия. При температуре
отжига 250°С не наблюдается каких-либо структурных изменений поверхности. При 480°С появились ма-
ленькие ямки вдоль границ субзерен, а при 600°С на имплантированной поверхности видны микротрещины,
маленькие ямки, пузырьки, блистеры, раковины, губчатая структура и чешуйки. После облучения ионами
84Kr обнаружено появление трещин на поверхности алюминия при увеличении углов облучения, т.е. при
приближении профиля залегания ионов криптона к поверхности. Обсуждается влияние температуры на по-
движность ксенона и формирование пузырьков, а также образование микротрещин.
1. ВВЕДЕНИЕ
Материалы, используемые в ядерных реакторах,
во время работы испытывают радиационные воздей-
ствия, обусловленные ядерно-физическими излуче-
ниями. Одним из таких воздействий является накоп-
ление продуктов распада ядерного топлива – инерт-
ных газов. При этом инертные газы при достаточно
высокой концентрации в местах накопления (в зонах
остановки) стремятся образовать комплексы – газо-
вые пузырьки. Поэтому поведение пузырьков инерт-
ных газов в реакторных материалах служит предме-
том многочисленных исследований в течение по-
следних нескольких десятков лет (см., например, [1-
3]).
Во время работы в реакторах ВВЭР и PWR ско-
рость деления составляет ∼1,3 делений/(см3⋅с). Каж-
дое деление дает два осколка с массами
140 и 95 а.е.м. и энергиями 70 и 98 МэВ соответ-
ственно [2]. Для таких осколков деления легко оце-
нить их средние пробеги в материале стенки твэла,
которые приведены в таблице. Расчеты выполнены с
использованием программы ТRIM-2000.
Пробеги осколков деления Rp в материалах конструкций реакторов
Материал и его плотность ρ, г/см3
Rp
min, мкм
(масса осколка деления М1=140
а.е.м., его энергия Е1=70 МэВ)
Rp
max, мкм
(масса осколка деления
М2=95 а.е.м., его энергия
Е2=98 МэВ)
UO2, ρ=10,95 6,60±0,6 8,56±0,6
UAl4, ρ=5,97 10,1±0,6 13,0±0,5
Al, ρ=2,702 12,3±0,6 15,9±0,4
Zr, ρ=6,49 7,6±0,6 10,0±0,5
Заметим, что осколки деления представляют со-
бой поток высокоэнергетических продуктов с плот-
ностью 5⋅109 ион/(см2⋅с), доходящий до внутренней
поверхности оболочки твэла. При стандартном вы-
горании ядерного топлива в слое с толщиной
h≈10 мкм накапливается до 2% посторонних атомов.
Тем самым, на внутренней стороне алюминиевой
оболочки твэла образуется ионно-импланти-рован-
ный слой с радиационными повреждениями (дефек-
тами).
Влияние газовых пузырьков инертных газов на
свойства алюминия сказывается в свою очередь на
поведении находящихся в процессе функционирова-
ния и отработавших тепловыделяющих элементов с
оболочкой из алюминия, особенно при их длитель-
ном (порядка 50 лет) хранении в сухих хранилищах.
Отметим также, что наряду с выделением (десорб-
цией) инертных газов необходимо учитывать воз-
можность десорбции других газовых молекул, таких
как Н2, СН4, СО и СО2, всегда присутствующих в
конструкционных материалах в той или иной кон-
центрации [4]. Такие процессы могут приводить к
изменению структуры поверхности и к снижению ее
механической прочности.
_______________________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2005. №5.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (88), с. 16-21.
16
Для изучения радиационных эффектов, связан-
ных с поведением газов в материале конструкций
ядерных реакторов, для моделирования использует-
ся облучение материалов тяжелыми ионами инерт-
ных газов.
Ранее в работе [5] нами была исследована эволю-
ция микроструктуры Al после облучения ионами
129Хе с энергией Е=124 МэВ в слое с радиационны-
ми повреждениями. Цель данной работы – изучение
изменений структуры поверхности и поведения пу-
зырьков, заполненных ксеноном или криптоном, в
ионно-имплантированном слое с использованием
методов просвечивающей (ПЭМ) и растровой (РЭМ)
электронной микроскопии, а также атомной силовой
микроскопии (АСМ).
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТА-
ТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
В качестве материала для исследования были
взяты фольги из алюминия чистотой 99,99%, имею-
щие толщину 86 мкм. В результате отжига в вакуу-
ме 6,5⋅10-5 Па при температуре 480°С в течение 8 ч в
образцах сформировалась структура, состоящая из
равноосных зерен. Микроструктура образцов в ис-
ходном (отожженном) состоянии показана на рис. 1.
Рис. 1. Микроструктура Al в исходном состоянии
(после отжига при 480°С, 8 ч)
Отожженные образцы облучались ионами инерт-
ных газов. Облучение образцов ионами 129Хе с энер-
гией Е=124 МэВ перпендикулярно плоскости их по-
верхности до флюенса 1015 ион/см2 с плотностью по-
тока ионов, не превышающей 2,5⋅1011 ион/см2⋅с, вы-
полнялось при температуре, близкой к комнатной.
Облучение ионами 84Kr с энергией Е=245 МэВ до
флюенсов 1014 и 1,3⋅1015 ион/см2 проведено на уско-
рителе У-400 ЛЯР им. Г.Н. Флерова, на установке
облучения, описанной в работах [6,7]. При облуче-
нии до флюенса 1,3⋅1015 ион/см2 ионы входили в
фольгу по нормали к ее поверхности. Профили леги-
рования ионами ксенона и криптона и осколками де-
ления и сечения дефектообразования, рассчитанные
по программе ТRIM-2000, для нормального обуче-
ния показаны на рис. 2.
Одновременно с нормальным (т.е. угол наклона
α=0°) облучением ионами 84Kr до флюенса 1014
ион/см2 выполнялось облучение образцов под углом
α=45, 60 и 75° к их поверхности. Применение такой
схемы облучения позволило нам варьировать глуби-
ну залегания слоя ионного легирования и уровень
повреждения в пике смещения. Фактический флю-
енс облучения для этих образцов составлял F×t=1014
×cosα ион/см2, т.е. 0,7⋅1014, 0,5⋅1014 и 0,26⋅1014
ион/см2 для углов α=45, 60 и 75° соответственно.
0 5 10 15 20 25 30 35
0,0
1,0x10-15
2,0x10-15
3,0x10-15
M
E
S
σ d, с
на
.с
м2 /и
он
х, мкм
0 5 10 15 20 25 30 35
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1
2
3
(d
E
/d
x)
in
el
x, мкм
0 10 20 30
0,0
2,0x10-5
4,0x10-5
6,0x10-5
8,0x10-5
B
D
C
X
e,
K
r,
ат
ом
/(А
.и
он
)
x, мкм
Рис. 2. Профили сечения дефектообразования:
а – энергетических потерь энергии; б – ионов крип-
тона с энергией 245 МэВ (1), ионов ксенона с энер-
гией 145 МэВ (2) и осколков деления массой
140 а.е.м. и энергией 70 МэВ (3); в – профили леги-
рования ионами ксенона и криптона, рассчитанные
по программе ТRIM-2000, для нормального
облучения
Исследования влияния облучения на поверх-
ность алюминия были выполнены на сканирующих
_______________________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2005. №5.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (88), с. 16-21.
17
в
а
б
электронных микроскопах JSM-840 и DSM-942
(Институт ядерной химии и техники, г. Варшава,
Республика Польша). Структура поверхности алю-
миния после облучения флюенсом 1014 ион/см2 при
комнатной температуре и углах наклона α=0 и 75°
показана на рис. 3. Видно, что в результате облуче-
ния под углом 75° на поверхности появляются тре-
щины и разрывы (см. рис. 3,в,г), хотя при нормаль-
ном облучении (см. рис. 3,б) структура поверхности
отличается от исходной не столь значительно. Вид-
но, что при нормальном облучении происходили
процессы распыления поверхности, вследствие ко-
торых исчезли характерные выступы, образованные
при изготовлении фольги.
При нормальном облучении алюминия ионами
криптона до флюенса 1,3⋅1015 ион/см2 также не
происходит образования на поверхности особых
структур за исключением процессов распыления,
которые для чистого алюминия, всегда покрытого
тонким слоем оксида Al2O3, довольно значительны.
На рис. 4 приведены изображения в атомном си-
ловом микроскопе (АСМ) структуры поверхности
предварительно полированных образцов из алю-
миния в исходном состоянии (а) и после облучения
ионами 209Bi с энергией 705 МэВ до флюенса
7⋅1012 ион/см2 (б). Видно, что поверхность после об-
лучения становится более гладкой; это связано с
распылением поверхности. Перепад высот рельефа
между темными и светлыми тонами для исходного
(см. рис. 4,а) и облученного (см. рис. 4,б) алюминия
составляет Hа=50 Å и Нб=40 Å соответственно. То-
гда коэффициент распыления алюминия Kex при об-
лучении ионами 209Bi можно определить из выраже-
ния
Кех
(Bi) = (Hа-Нб)⋅(1 см2)⋅NАl/(Ft)Bi > 8,6⋅103 ат./ион,
где NАl=6,03⋅1022 ат./см3 – число атомов алюминия в
1 см3. Заметим, что проективный пробег ионов 209Bi
в алюминии Rp=(39,7±0,6) мкм, а ионизационные по-
тери энергии
∂
∂=
x
ESe inel = 25,4 кэВ/нм.
Для сравнения: ионизационные потери энергии
от осколков деления с массой 140 а.е.м. и энергией
70 МэВ составляют Se
оск=9,92 кэВ/нм. Поэтому коэф-
фициенты распыления Al от осколков деления будут
меньше [8]: Кех
(оск) ∼ Кех
(Bi)⋅
2
Bi
ex
оск
ex
S
S
=1,3⋅103 ат./оско-
лок.
Рис. 3. Структура поверхности алюминия в исходном состоянии (а) и после облучения ионами 84Kr с
энергией 245 МэВ флюенсом 1014 ион/см2 при комнатной температуре и углах наклона α=0° (б) и 75° (в, г)
Поверхность образцов, облученных ионами ксе-
нона флюенсом 1015 ион/см2, практически не отлича-
лась от исходной, как в случае облучения ионами
криптона. Для исследования газовой десорбции и
подвижности газовых пузырьков, а также эволюции
структуры поверхности образцы, облученные иона-
ми ксенона, были отожжены при температурах 250,
480 и 600°С в течение 15 мин. Для определения диа-
_______________________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2005. №5.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (88), с. 16-21.
18
2 мкм
а б
в г
метра и количества (концентрации) пузырьков газа
использовали просвечивающую электронную ми-
кроскопию и программу для обработки изображе-
ний Image [9]. Образцы для просвечивающей элек-
тронной микроскопии были приготовлены традици-
онной химической и электролитической полировкой
в 20% растворе хлорной кислоты в этаноле при тем-
пературе −20°С.
После отжига при 250°С не обнаружено никаких
изменений поверхности: по-прежнему характерной
остается структура поверхности без ярко выражен-
ных дефектов структуры. Местами на ней видны
сгруппированные ямки диаметром ∼0,3 мкм со сред-
ней концентрацией 5⋅106 см-2.
а б
Рис. 4. Изображение структуры поверхности предварительно полированных образцов алюминия в исход-
ном состоянии (а) и после облучения ионами 209Bi с энергией 705 МэВ до флюенса 7⋅1012 ион/см2 (б)
в атомном силовом микроскопе (АСМ)
После отжига при температуре 480°С (рис. 5) на-
блюдаются в достаточном количестве более глубо-
кие ямки (диаметром ∼0,8 мкм), «пузырьковые» кра-
теры и чешуйки, а также микротрещины.
Рис. 5. Структура поверхности алюминия, облу-
ченного ионами 129Хе (Е=124 МэВ) до дозы
1,3⋅1015 ион/см2, после отжига при 480°С 15 мин
Это свидетельствует о том, что происходит скоп-
ление газов под поверхностью в виде пузырьков с
достаточно высоким давлением газа, которые вызы-
вают явления, подобные блистерингу и флекингу.
Средний диаметр «пузырьковых» кратеров составил
∼1,1 мкм при средней концентрации 6⋅105 см-2.
Большая часть поверхности имеет губчатую струк-
туру.
Рис. 6. Структура поверхности алюминия, облучен-
ного ионами 129Хе (Е=124 МэВ) до дозы 1,3⋅
1015 ион/см2, после отжига при 600°С 15 мин
После отжига при 600°С вся поверхность оказа-
лась покрытой губчатой структурой и «пузырьковы-
ми» кратерами (рис. 6). Количество пузырьков в
губчатой структуре и в кратере равно соответствен-
но 6⋅1011 и 4⋅1011 см-2, а диаметр 5,5 и 6 нм.
Из полученных результатов следует, что при
температурах ниже 250°С не происходит видимых
структурных изменений поверхности Al, импланти-
рованного ксеноном, за исключением образования
небольших ямок вдоль границ субзерен. Это под-
тверждают результаты работы [10], в которой была
исследована термическая экстракция криптона из
алюминия. Она быстро возрастает при температурах
выше ∼270°С, и с этим фактом связывается измене-
ние структуры поверхности.
Образование на поверхности алюминия, имплан-
тированного ксеноном, после отжига губчатой и
«пузырьковой» структур и особенно микротрещин
может влиять на деградацию механических свойства
оболочек отработанных твэлов как при эксплуата-
ции, так и во время их длительного хранения.
_______________________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2005. №5.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (88), с. 16-21.
19
В работе [3] были проведены стереоскопические
испытания, из которых следует, что все пузырьки
находятся вблизи поверхности и служат местом за-
рождения микротрещин. Скопления пузырьков
были вытянуты параллельно поверхности образца и
служили местом возникновения отслаивающихся от
поверхности слоев (явление флекинга). Концентра-
ция пузырьков в этом слое небольшая, но они сохра-
няются даже после отжига при 550°С.
Согласно данным работы [16], давление, требуе-
мое для возникновения трещины, возрастает с
уменьшением плотности пузырьков, вокруг которых
возникают значительные деформации. Электронно-
микроскопические исследования после отжига при
550°С показали, что средний диаметр пузырьков ра-
вен 6,7 нм (рис. 8), а количество пузырьков состав-
ляет примерно 7,5⋅1011 см-2 [16]. Этот диаметр пу-
зырьков в 4 раза больше, а их количество в 8 раз
меньше, чем при комнатной температуре (соответ-
ственно 1,6 нм и 5,9⋅1012 см-2) (см. рис. 7). Кроме
того, обнаружены большие нерегулярные дефекты,
которые вызваны образованием микротрещин в про-
цессе отжига. Средний диаметр микротрещин до-
стигает 69 нм, а их количество 1,3⋅1011 см-2.
Рис. 7. Микроструктура алюминия, облученного
ионами 129Хе (Е=124 МэВ) до дозы 1,3⋅1015 ион/см2,
при комнатной температуре (ПЭМ, темное поле)
Рис. 8. Поверхность алюминия, облученного ионами
129Хе (Е=124 МэВ) до дозы 1016 ион/см2, после
отжига при 550°С [15]
Образование микротрещин можно объяснить
следующим образом. Согласно работе [11], зависи-
мость между давлением газа Р внутри пузырьков ра-
диуса rb и средней величиной микронапряжений σn
между пузырьками задается уравнением
Р=σn(А-1-1)+2γs/ rb. (1)
Здесь А – часть поверхности, пересеченной пу-
зырьками, когда материал с пузырьками вырезан в
плоскости, параллельной поверхности материала, и
равна πrb
2Nb
2/3 для простой кубической решетки пу-
зырьков [12] или πrb
3Nb для беспорядочного распо-
ложения пузырьков [13]; γs – удельная поверхност-
ная энергия, Nb – плотность пузырьков.
Принимая напряжение образования трещин рав-
ным σn=0,0026µ (здесь µ=26,5 ГПа [14] – модуль
сдвига), а γs=0,9 Дж/м2 [15] и предполагая, что пу-
зырьки распределены равномерно в приповерхност-
ном слое толщиной L=12 нм, что было подтвержде-
но стереоскопическими наблюдениями, получаем,
что давление образования микротрещин равно
0,7 ГПа для простой кубической решетки пузырьков
и 1,4 ГПа для произвольного расположения пузырь-
ков [16]. Давление в пузырьках, согласно данным
работы [17], при 550°С составляет 3,7 ГПа, т.е. до-
статочно для образования трещин. Хорошо извест-
но, что тонкие пластинки когерентных выделений
различных фаз вводят в матрицу большие растягива-
ющие деформации (например, зоны ГП в сплаве Al-
Cu) и дают пятна на дифракционной картине [18].
Микротрещины, заполненные атомами ксенона,
можно рассматривать как такие тонкие пластинки.
Давление в пузырьках ксенона при комнатной
температуре оценивается как 2,0 ГПа [16]. Давле-
ние, необходимое для образования микротрещины
при комнатной температуре, согласно уравнению
(1), равно 3,4 ГПа для простой кубической решетки
пузырьков и 10,9 ГПа – для беспорядочной структу-
ры [15]. Этим объясняется причина отсутствия ми-
кротрещин при комнатной температуре. Это факт
подтвержден анализом электронограмм [10].
Для практики длительного хранения отработан-
ного топлива исследовательских реакторов очень
важно определение температуры, выше которой на
поверхности имплантированного алюминия появ-
ляются губчатая и «пузырьковая» структуры и обра-
зуются микротрещины. В работе [19] было установ-
лено, что один из механизмов деградации, который,
возможно, влияет на интегральное состояние алю-
миниевой оболочки, – поведение атомов инертных
газов в матрице топлива и оболочке. Такие процес-
сы деградации активно развиваются при температу-
рах выше 200°С.
3. ВЫВОДЫ
Выполненные в работе исследования влияния
облучения ионами криптона и ксенона на структуру
поверхности алюминиевых образцов (чистота
99,99%) при различных условиях облучения (раз-
личные углы входа ионов – от нормальных до 75°) и
флюенсах при послерадиационном отжиге показали,
что в зависимости от температуры отжига структура
поверхности претерпевает значительные изменения.
_______________________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2005. №5.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (88), с. 16-21.
20
Обнаруженные дефекты структуры несомненно сни-
жают механические свойства изученных образцов.
Поскольку алюминий и сплавы на его основе ис-
пользуются в конструкциях оболочек твэлов иссле-
довательских реакторов, необходимо учитывать не-
гативное влияние газовой десорбции из оболочек
наработанных при длительной эксплуатации инерт-
ных и всегда присутствующих собственных газов в
материале. В особенности это касается предсказания
поведения отработавших алюминиевых оболочек
твэлов при их длительном хранении.
ЛИТЕРАТУРА
1.D.E. Alexander, R.C. Birtcher. The effect of ion irra-
diation on inert gas bubble mobility //J. Nucl. Mater.
1992, v.191-194, pt. B, p. 1289–1294.
2.I. Shuster, C. Lemaignan. Embrittlement induced by
fission recoils of the inner surface of PWR fuel
cladding. A simulation using heavy ions //J. Nucl.
Mater. 1986, v. 151, p. 108–111.
3.I. Hashimoto, H. Yorikawa, M. Mitsuya, H.
Ymaguchi, K. Furuya, E. Yagi, M. Iwaki. Annealing be-
haviour of krypton-implanted aluminium //J. Nucl.
Mater. 1987, v. 150, p. 100–104.
4.M. Chanel, J. Hansen, J.-M. Laurent, N. Madsen, E.
Mahner. Experimental investigation of impact-induced
molecular desorption by 4.2 MeV/a.m.u. Pb ions //Pro-
ceedings of 2001 Particle Accelerator Conference, 18-
22 June 2001, Chicago, USA. CERN/PS 2001-040
(AE), 2001, 3pp.
5.А. Хофман, А.Ю. Дидык, В.К. Семина. Эволюция
структурных дефектов в алюминии, облученном
ионами ксенона //Радиационная физика твердого
тела. Труды ХI Межнационального совещания. Се-
вастополь, 25-30 июня 2001 г. М.: Изд-во НИИ ПМТ
МГИЭМ (ТУ), 2001, с. 16–21; Препринт ОИЯИ Р14-
2001-251, Дубна, 2001.
6.Ю.Ц. Оганесян, С.Н. Дмитриев, А.Ю. Дидык, Г.Г.
Гульбекян, В.Б. Кутнер. Новые возможности уско-
рительного комплекса ЛЯР им. Г.Н.Флерова в
производстве трековых мембран //Радиационная
физика твердого тела. Труды Х Межнационального
совещания, Севастополь, 3-8 июля 2000 г. М.: Изд-
во НИИ ПМТ МГИЭМ (ТУ), 2000, с. 42–50.
7.V.A. Skuratov, A. Illes, Z. Illes, K. Bodnar,
A.Yu. Didyk, A.V. Arkhipov, K. Havancsák. Beam di-
agnostics and data acquisition system for ion beam
transport line used in applied research //JINR Communi-
cation E13-99-161, Dubna, 1999, 8 p.
8. И.А. Баранов А.С. Кривохатский, В.В. Обнор-
ский. Механизм распыления материалов тяжелыми
многозарядными ионами - осколками деления
//ЖТФ. 1981, т. 51, №12, с. 2457–2475.
9.Electron Microscopy Society of Am. Bull. 1991,
v. 21, p. 83.
10. K. Takaishi, T. Kikuchi, K. Furuya, I. Hashimoto,
H. Yamagichi, E. Yagi, M. Iwaki. Thermal extraction of
krypton in aluminum using mass spectrometer //Physica
Status Solidi A. 1986, v. 95, p. 135–139.
11. W.G. Wolfer //J. Nucl. Mater. 1980, v. 93-94,
p. 713.
12. J.Н. Evans. An interbubble fracture mechanism of
blister formation on helium-irradiated metals //J. Nucl.
Mater. 1977, v. 68. p. 129–140.
13. E.E. Underwood. Quantative stereology (Addison-
Wesley, Reading, 1970).
14.M.F. Ashby, C. Gandhi, D.M.R. Taplin. Fracture-
mechanism maps and their construction for F.C.C. met-
als and alloys //Acta Metall. 1979, v. 27, N 5,
p. 699–729.
15.C.T. Lynch. Handbook of Materials Science, CKC
Press, Ohio (USA), 1974, v. 1, p. 105.
16. I. Hashimoto, H. Yorikawa, H. Mitsuya, H.
Ymaguchi, K. Takaishi, K. Kikuchi, K. Fukuya, E.
Yagi,
M. Iwaki. Annealing behaviour of krypton-implanted
aluminum //J. Nucl. Mater. 1987, v. 149, N 1, p. 69–73.
17.C.Ronchi. Extrapolated equation of state for rare gas-
es at high temperatures and densities //J. Nucl. Mater.
1981, v. 96, N 3, p. 314–328.
18. П. Хирш, А. Хови, Р. Николсон, Д. Пэшли,
М. Уэлан. Электронная микроскопия тонких кри-
сталлов. М.: «Мир», 1968, с. 325–331.
19. R.L. Sindelar, H.B. Peacock, Jr., P.S. Lam, N.C.
Iyer, M.R. Loutham, Jr. Acceptance criteria for interim
dry storage of aluminium-alloy clad spent nuclear fuels
(U) //WSRC-TR-95-0347 (u), USA, Savannah River
Technology Center, March 1996.
МОДЕЛЮВАННЯ ВПЛИВУ УЛАМКІВ ПОДІЛУ
НА МАТЕРІАЛ ОБОЛОНОК ТЕПЛОВИДІЛЯЮЧИХ ЕЛЕМЕНТІВ РЕАКТОРІВ ВАЖКИМИ
ІОНАМИ ВИСОКИХ ЕНЕРГІЙ
А. Хофман, А.Ю. Дідик, В.К. Сьоміна, В. Штеке
Зразки алюмінію були опромінені іонами 84Kr з енергією 245 МэВ до флюенса 1014 іон/см2 під різними кутами до
поверхні зразка й іонами 129Хе з енергією 124 МэВ до флюенса 1015 іон/см2 перпендикулярно до поверхні зразка.
Методами сканируючої і просвічуючої електронної мікроскопії досліджували зміни структури поверхні алюмінію,
опроміненого іонами 129Хе, після відпалу при температурах 250, 480 і 600°С и іонами 84Kr безпосередньо після
опромінення. Виявлено, що при відпалі відбуваються різні зміни структури поверхні імплантованого алюмінію. При
температурі відпалу 250°С не спостерігається яких-небудь структурних змін поверхні. При 480°С з'явилися маленькі
ямки уздовж границь субзерен, а при 600°С на імплантованій поверхні видні мікротріщини, маленькі ямки, пухирці,
блістери, раковини, губчаста структура й лусочки. Після опромінення іонами 84Kr виявлена поява тріщин на поверхні
алюмінію при збільшенні кутів опромінення, тобто при наближенні профілю залягання іонів криптону до поверхні.
Обговорюється вплив температури на рухливість ксенону й формування пухирців, а також утворення мікротріщин.
_______________________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2005. №5.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (88), с. 16-21.
21
SIMULATION OF INFLUENCE OF URANIUM FISSION FRAGMENTS ON MATERIALS OF FUEL EL-
EMENTS OF REACTORS BY HIGH ENERGY HEAVY IONS
A. Hofman, A.Yu. Didyk, V.K. Semina, W. Szteke
Aluminum samples were irradiated by 84Kr ions with energy 245 MeV up to the fluence 1014 ion/cm2 at various angles to the sample surface
and 129Xe ions with energy 124 MeV up to the fluence 1015 ion/cm2 perpendicular to surface. The changes of aluminum surface structure irradiat-
ed by 129Xe ions after annealing at temperatures 250, 480 and 600oC were studied using scanning and transmission electronic microscopy. The
analogies studies were carried out at the aluminum samples directly after irradiation by 84Kr ions. It was shown that after annealing at various
temperatures different changes take a place. Irradiated aluminum surface kept the initial structure after annealing at 250 oC. The small pits along
the boundaries of sub grains were observed on the samples after annealing at 480oC. The micro cracks, small pits, bubbles, blisters, blebs, sponge
structure and flaces form were detected on the irradiated aluminum surfaces after annealing at the 600oC. The creation of cracks were observed
on the aluminum surface irradiated at various angles by 84Kr ions (without annealing), when the angles are increased. It can be explained by the
changes of depth position of 84Kr ion profiles relatively to the surface (decreasing the distance between profile and surface). The influence of tem-
perature on the mobility of implanted krypton ions and the bubble and crack creation is discussed.
_______________________________________________________________________________
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2005. №5.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (88), с. 16-21.
22
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-80587 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:43:03Z |
| publishDate | 2005 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Хофман, А. Дидык, А.Ю. Семина, В.К. Штеке, В. 2015-04-19T15:46:34Z 2015-04-19T15:46:34Z 2005 Моделирование влияния осколков деления урана на материал оболочек тепловыделяющих элементов реакторов тяжелыми ионами высоких энергий / А. Хофман, А.Ю. Дидык, В.К. Семина, В. Штеке // Вопросы атомной науки и техники. — 2005. — № 5. — С. 16-21. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80587 539.12.04 Образцы алюминия были облучены ионами ⁸⁴Kr с энергией 245 МэВ до флюенса 10¹⁴ ион/см² под различными углами к поверхности образца и ионами ¹²⁹Хе с энергией 124 МэВ до флюенса 10¹⁵ ион/см² перпендикулярно к поверхности образца. Методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии исследовали изменения структуры поверхности алюминия, облученного ионами ¹²⁹Хе, после отжига при температурах 250, 480 и 600°С и ионами ⁸⁴Kr непосредственно после облучения. Обнаружено, что при отжиге происходят различные изменения структуры поверхности имплантированного алюминия. При температуре отжига 250°С не наблюдается каких-либо структурных изменений поверхности. При 480°С появились маленькие ямки вдоль границ субзерен, а при 600°С на имплантированной поверхности видны микротрещины, маленькие ямки, пузырьки, блистеры, раковины, губчатая структура и чешуйки. После облучения ионами ⁸⁴Kr обнаружено появление трещин на поверхности алюминия при увеличении углов облучения, т.е. при приближении профиля залегания ионов криптона к поверхности. Обсуждается влияние температуры на подвижность ксенона и формирование пузырьков, а также образование микротрещин. Зразки алюмінію були опромінені іонами ⁸⁴Kr з енергією 245 МэВ до флюенса 10¹⁴ іон/см² під різними кутами до поверхні зразка й іонами ¹²⁹Хе з енергією 124 МэВ до флюенса 10¹⁵ іон/см² перпендикулярно до поверхні зразка. Методами сканируючої і просвічуючої електронної мікроскопії досліджували зміни структури поверхні алюмінію, опроміненого іонами ¹²⁹Хе, після відпалу при температурах 250, 480 і 600°С и іонами ⁸⁴Kr безпосередньо після опромінення. Виявлено, що при відпалі відбуваються різні зміни структури поверхні імплантованого алюмінію. При температурі відпалу 250°С не спостерігається яких-небудь структурних змін поверхні. При 480°С з'явилися маленькі ямки уздовж границь субзерен, а при 600°С на імплантованій поверхні видні мікротріщини, маленькі ямки, пухирці, блістери, раковини, губчаста структура й лусочки. Після опромінення іонами ⁸⁴Kr виявлена поява тріщин на поверхні алюмінію при збільшенні кутів опромінення, тобто при наближенні профілю залягання іонів криптону до поверхні. Обговорюється вплив температури на рухливість ксенону й формування пухирців, а також утворення мікротріщин. Aluminum samples were irradiated by ⁸⁴Kr ions with energy 245 MeV up to the fluence 10¹⁴ ion/cm2 at various angles to the sample surface and ¹²⁹Xe ions with energy 124 MeV up to the fluence 10¹⁵ ion/cm2 perpendicular to surface. The changes of aluminum surface structure irradiated by ¹²⁹Xe ions after annealing at temperatures 250, 480 and 600°C were studied using scanning and transmission electronic microscopy. The analogies studies were carried out at the aluminum samples directly after irradiation by ⁸⁴Kr ions. It was shown that after annealing at various temperatures different changes take a place. Irradiated aluminum surface kept the initial structure after annealing at 250 °C. The small pits along the boundaries of sub grains were observed on the samples after annealing at 480°C. The micro cracks, small pits, bubbles, blisters, blebs, sponge structure and flaces form were detected on the irradiated aluminum surfaces after annealing at the 600°C. The creation of cracks were observed on the aluminum surface irradiated at various angles by ⁸⁴Kr ions (without annealing), when the angles are increased. It can be explained by the changes of depth position of ⁸⁴Kr ion profiles relatively to the surface (decreasing the distance between profile and surface). The influence of temperature on the mobility of implanted krypton ions and the bubble and crack creation is discussed. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах Моделирование влияния осколков деления урана на материал оболочек тепловыделяющих элементов реакторов тяжелыми ионами высоких энергий Моделювання впливу уламків поділу на матеріал оболонок тепловиділяючих елементів реакторів важкими іонами високих енергій Simulation of influence of uranium fission fragments on materials of fuel elements of reactors by high energy heavy ions Article published earlier |
| spellingShingle | Моделирование влияния осколков деления урана на материал оболочек тепловыделяющих элементов реакторов тяжелыми ионами высоких энергий Хофман, А. Дидык, А.Ю. Семина, В.К. Штеке, В. Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах |
| title | Моделирование влияния осколков деления урана на материал оболочек тепловыделяющих элементов реакторов тяжелыми ионами высоких энергий |
| title_alt | Моделювання впливу уламків поділу на матеріал оболонок тепловиділяючих елементів реакторів важкими іонами високих енергій Simulation of influence of uranium fission fragments on materials of fuel elements of reactors by high energy heavy ions |
| title_full | Моделирование влияния осколков деления урана на материал оболочек тепловыделяющих элементов реакторов тяжелыми ионами высоких энергий |
| title_fullStr | Моделирование влияния осколков деления урана на материал оболочек тепловыделяющих элементов реакторов тяжелыми ионами высоких энергий |
| title_full_unstemmed | Моделирование влияния осколков деления урана на материал оболочек тепловыделяющих элементов реакторов тяжелыми ионами высоких энергий |
| title_short | Моделирование влияния осколков деления урана на материал оболочек тепловыделяющих элементов реакторов тяжелыми ионами высоких энергий |
| title_sort | моделирование влияния осколков деления урана на материал оболочек тепловыделяющих элементов реакторов тяжелыми ионами высоких энергий |
| topic | Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах |
| topic_facet | Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80587 |
| work_keys_str_mv | AT hofmana modelirovanievliâniâoskolkovdeleniâurananamaterialoboločekteplovydelâûŝihélementovreaktorovtâželymiionamivysokihénergii AT didykaû modelirovanievliâniâoskolkovdeleniâurananamaterialoboločekteplovydelâûŝihélementovreaktorovtâželymiionamivysokihénergii AT seminavk modelirovanievliâniâoskolkovdeleniâurananamaterialoboločekteplovydelâûŝihélementovreaktorovtâželymiionamivysokihénergii AT štekev modelirovanievliâniâoskolkovdeleniâurananamaterialoboločekteplovydelâûŝihélementovreaktorovtâželymiionamivysokihénergii AT hofmana modelûvannâvplivuulamkívpodílunamateríalobolonokteplovidílâûčihelementívreaktorívvažkimiíonamivisokihenergíi AT didykaû modelûvannâvplivuulamkívpodílunamateríalobolonokteplovidílâûčihelementívreaktorívvažkimiíonamivisokihenergíi AT seminavk modelûvannâvplivuulamkívpodílunamateríalobolonokteplovidílâûčihelementívreaktorívvažkimiíonamivisokihenergíi AT štekev modelûvannâvplivuulamkívpodílunamateríalobolonokteplovidílâûčihelementívreaktorívvažkimiíonamivisokihenergíi AT hofmana simulationofinfluenceofuraniumfissionfragmentsonmaterialsoffuelelementsofreactorsbyhighenergyheavyions AT didykaû simulationofinfluenceofuraniumfissionfragmentsonmaterialsoffuelelementsofreactorsbyhighenergyheavyions AT seminavk simulationofinfluenceofuraniumfissionfragmentsonmaterialsoffuelelementsofreactorsbyhighenergyheavyions AT štekev simulationofinfluenceofuraniumfissionfragmentsonmaterialsoffuelelementsofreactorsbyhighenergyheavyions |