Грудзевич О.Т.1, Печенкин В.А.1, Кобец У.А.1, Гурбич А.Ф.1, Боховко М.В.1, Шагинян Р.А.1, Марголин Б.З.2, Петров С.Н.2, Михайлов М.С.2, Васильева Е.А.2
В последнее десятилетие материаловедческие ускорители активно модернизируются или строятся в странах, развивающих атомную энергетику, в связи с разработкой новых радиационно стойких конструкционных материалов для реакторов Поколения-4 и продлением срока службы существующих ЯЭУ. В АО «ГНЦ РФ – ФЭИ» для этих целей используется ускоритель «Тандем-3М», параметры которого (ток пучка, энергия, набор ускоряемых ионов) полностью соответствуют требованиям к материаловедческим исследованиям.
С использованием методов ядерного микроанализа разработаны методики ионного облучения и применены для высокодозных исследований радиационной стойкости конструкционных реакторных материалов (КМ) разных классов, включая облучение тяжелыми ионами, предварительную имплантацию гелия, а также циклическое (последовательное) облучение, в каждом цикле которого сначала проводится облучение ионами металла и затем ионами He или H (двойное), или ионами металла и затем ионами He, затем ионами H (тройное), для учета их наработки на элементах состава КМ в условиях реакторного облучения.
Представлены результаты исследований распухания аустенитных нержавеющих сталей – конструкционных материалов ВКУ ВВЭР-ТОИ. В рамках работ по разработке новой стали для ВКУ ВВЭР-ТОИ из кандидатных композиций для последующих реакторных испытаний выбрана композиция 10Х16Н25М2Т, наиболее устойчивая к распуханию, в том числе по сравнению с используемой сталью 08Х18Н10Т. На примере стали 08Х18Н10Т проведены исследования влияния гелия и водорода на распухание КМ. Впервые показано, что при тройном облучении (Ni+He+H) распухание существенно выше, чем при двойном облучении (Ni+He/H) этой стали, т.е. наблюдается синергический эффект гелия и водорода в распухании стали для условий их наработки в быстром реакторе. Для максимального приближения условий имитационных исследований к реакторным условиям, включая перспективные термоядерные установки, нужно проводить циклическое (последовательное) или лучше одновременное трехпучковое ускорительное облучение ионами металла, гелия и водорода.
1. Garner F.A., Toloczko M.B., Sencer B.H. Comparison of swelling and irradiation creep behavior of fcc-austenitic and bcc-ferritic/martensitic alloys at high neutron exposure. Journal of Nuclear Materials, 2000, vol. 276, pp. 123–142.
2. Garner F.A., Gelles D.S., Greenwood L.R., Okita T., Sekimura N., Wolfer W.G. Synergistic influence of displacement rate and helium/dpa ratio on swelling of Fe–(9, 12)Cr binary alloys in FFTF at ≈400 °С. Journal of Nuclear Materials, 2004, vol. 329–333, pp. 1008–1012.
3. Budylkin N.I., Bulanova T.M., Mironova E.G. et al. The strong influence of displacement rate on void swelling in variants of Fe–16Cr–15Ni–3Mo austenitic stainless steel irradiated in BN-350 and BOR-60. Journal of Nuclear Materials, 2004, vol. 329–333, pp. 621–624.
4. Wolfer W.G. Drift forces on vacancies and interstitials in alloys with radiation-induced segregation. Journal of Nuclear Materials, 1983, vol. 114, no. 2, pp. 292–304.
5. Marwick A.D. Calculation of bias due to solute redistribution in an irradiated binary alloys: surfaces of thin foil. Journal of Nuclear Materials, 1985, vol. 135, pp. 68–76.
6. Pechenkin V.A., Epov G.A., Stepanov I.A. and Konobeev Yu.V. Effect of radiation-induced segregation on precipitate stability and swelling in irradiated alloys. Proc. of the18th Int. Symp. “Effects of Radiation on Materials”. ASTM STP 1325, 1999, pp. 850–865.
7. Pechenkin V.A., Konobeev Yu.V., Rudnev S.I., Epov G.A. An analysis of void swelling dose dependence in ion irradiated V-Fe alloys. Journal of Nuclear Materials, 1999, vol. 271–272, pp. 266–269.
8. Печенкин В.А., Чернова А.Д., Молодцов В.Л., Лысова Г.В., Эпов Г.А. Радиационно-индуцированная сегрегация и свойства конструкционных материалов под облучением. Ядерная физика и инжиниринг, 2013, т. 4, № 5, с. 443–461.
9. Johnston W.G., Lauritzen T., Rosolowski J.H., Turkalo A.M. The depth distribution of void swelling produced by 5 MeV Ni ions. Journal of Nuclear Materials, 1976, vol. 52, p. 167.
10. Garner F.A. and Black C.A. The Question of Saturation of Void Swelling in Fe-Cr-Ni Austenitic Alloys. Proc. of the 19th Int. Symp. “Effects of Radiation on Materials”. ASTM STP 1366, 2000, pp. 767–777.
11. Garner F.A. Chapter 6: “Irradiation Performance of Cladding and Structural Steels in Liquid Metal Reactors”. Materials Science and Technology: A Comprehensive Treatment, VCH Publishers, 1994, vol. 10a, pp. 419–543.
12. Matsui H., Gelles D.S., Kohno Y. Large swelling observed in a V-5at%Fe alloy after irradiation in FFTF. Proc. of the 15th Int. Symp. “Effects of Radiation on Materials”. ASTM STP 1125, 1992, pp. 928–941.
13. Nakajima H., Yoshida S., Kohno Y. and Matsui H. Effect of solute addition on swelling of vanadium after FFTF irradiation. Journal of Nuclear Materials, 1992, vol. 191–194, p. 952.
14. Pechenkin V.A. and Epov G.A. An analyses of growth rates of voids in the matrix and at precipitates in irradiated alloys. Journal of Nuclear Materials, 1996, vol. 233-237, pp. 1009–1015.
15. ASTM E521-96(2009), Standard Practice for Neutron Radiation Damage Simulation by Charged-Particle Irradiation, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2009. Available at: www.astm.org (accessed 12.04.2021).
16. Gigax J.G., Kim H., Aydogan E., Garner F.A., Maloy S., Lin Shao. Beam-contamination-induced compositional alteration and its neutron-atypical consequences in ion simulation of neutron-induced void swelling. Mater. Res. Lett., 2017, vol. 5, no. 7, pp. 478–485.
17. Was G.S., Jiao Z., Getto E., Sun K., Monterrosa A.M., Maloy S.A. et al. Emulation of reactor irradiation damage using ion beams. Scr. Mater., 2014, vol. 88, pp. 33–36.
18. Taller S., Was G.S. Understanding bubble and void nucleation in dual ion irradiated T91 steel using single parameter experiments. Acta Materialia, 2020, vol. 198, pp. 47–60.
19. Jiao Z., Taller S., Field K., Yeli G., Moody M.P., Was G.S. Microstructure evolution of T91 irradiated in the BOR-60 fast reactor. Journal of Nuclear Materials, 2018, vol. 504, pp. 123–134.
20. Taller S., Jiao Z., Field K., Was G.S. Emulation of fast reactor irradiated T91 using dual ion beam irradiation. Journal of Nuclear Materials, 2019, vol. 527, 151831.
21. Accelerator simulation and theoretical modeling of radiation effects (SMoRE). IAEA Nuclear Energy Series, ISSN 1995–7807, No. NF-T-2.2, 2018, 128 p.
22. Молодцов В.Л., Печенкин В.А. Метод расчета характеристик повреждающей дозы в металлах при ускорительном облучении. Труды XXV Международной конференции «Радиационная физика твердого тела», М., НИИ ПМТ при МГИЭМ (ТУ), 2015, с. 332–337.
23. Печенкин В.А., Чернов К.Г., Моисеев А.В., Елисеев В.А., Конобеев Ю.В. Характеристики повреждающей дозы в металлах и конструкционных материалах при облучении в активной зоне реакторов БН и ВВЭР. Ядерная физика и инжиниринг, 2013, т. 4, № 3, с. 262–272.
24. Interactions of Ions with Matter. The Stopping and Range of Ions in Matter. Available at: http://www.srim.org (accessed 20.07.2022).
25. Pechenkin V.A., Chernova A.D., Molodtsov V.L., Garner F.A. Effect of internal sink strength on diffusion mass transport in alloys under high dose ion irradiation. Proceedings of the 12th International Topical Meeting on Nuclear Applications of Accelerators (November 10–13, 2015, Washington, USA), 2016, pp. 103–109.
26. Was G.S. Fundamentals of Radiation Materials Science: Metals and Alloys. New York: Springer-Verlag, 2007. 827 p.
27. Петров С.Н., Марголин Б.З., Михайлов М.С., Васильева Е.А., Сорокин А.А., Печенкин В.А. Сравнительные исследования радиационной повреждаемости аустенитных сталей на основе имитационного облучения в ионных ускорителях. Тезисы докладов Межотраслевой научно-технической конференции «Реакторные материалы атомной энергетики» (Сочи, 17–21 сентября 2018 г.), 2018, с. 67–68.
28. Garner F.A., Simonen E.P., Oliver B.M. et al. Retention of hydrogen in fcc metals irradiated at temperatures leading to high densities of bubbles or voids. Journal of Nuclear Materials, 2006, vol. 356, pp. 122–135.
29. Tanaka T., Oka K., Ohnuki S. et al. Synergistic effect of helium and hydrogen for defect evolution under multi-ion irradiation of Fe-Cr ferritic alloys. Journal of Nuclear Materials, 2004, vol. 329–333, pp. 294–297.
30. Wakai E., Sawai T., Furuya K. et al. Effect of triple ion beams in ferritic/martensitic steel on swelling behavior. Journal of Nuclear Materials, 2002, vol. 307–311, pp. 278–282.
31. Wakai E., Kikuchi K., Yamamoto S. et al. Swelling behavior of F82H steel irradiated by triple/dual ion beams. Journal of Nuclear Materials, 2003, vol. 318, pp. 267–273.
32. Sekimura N., Iwai T., Arai Y., Yonamine S., Naito A., Miwa Y., Hamada S. Synergistic effects of hydrogen and helium on microstructural evolution in vanadium alloys by triple ion beam irradiation. Journal of Nuclear Materials, 2000, vol. 283–287, pp. 224–228.
