Запасённая энергия и теплопроводность графита ГР-280, облучённого до высоких флюенсов нейтронов Белан Елена Павловна

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1 Технология получения и применение графита ГР-280. Влияние нейтронного облучения на свойства реакторного графита (литературный обзор) 10

1.1 Технология получения и структура графита ГР -280 10

1.2 Конструкция и условия эксплуатации графитовой кладки реактора РБМК 12

1.3 Влияние нейтронного облучения на свойства реакторного графита 14

1.3.1 Радиационные дефекты 14

1.3.2 Запасённая энергия (энергия Вигнера) 16

1.3.3 Влияние нейтронного облучения на удельную теплоёмкость графита 24

1.3.4 Влияние нейтронного облучения на теплопроводность графита 24

Глава 2 Образцы и методики реакторных и послереакторных исследований 33

2.1 Образцы 33

2.2 Реакторные испытания 34

2.2.1 Условия облучения 34

2.2.2 Конструкция облучательного устройства 34

2.2.3 Определение флюенса быстрых нейтронов и температуры облучения 35

2.3 Методики послереакторных материаловедческих исследований 39

2.3.1 Общая запасённая энергия и скорость её выхода при отжиге облучённого образца 40

2.3.2 Коэффициент теплопроводности 43

2.3.3 Изготовление и подготовка образцов для послереакторных материаловедческих исследований 45

Глава 3 Запасённая энергия 47

3.1 Зависимость скорости выхода запасённой энергии от температуры отжига 47

3.2 Скорость выхода запасённой энергии при изотермическом отжиге 50

3.3 Общая запасённая энергия 51

3.4 Кинетика отжига радиационных дефектов 53

Глава 4 Влияние нейтронного облучения на теплофизические свойства графита ГР-280 61

4.1 Удельная теплоёмкость графита ГР-280 61

4.2 Теплопроводность графита ГР-280 62

4.2.1 Зависимость коэффициента теплопроводности от температуры измерения 62

4.2.2 Коэффициент теплопроводности при температуре облучения 66

4.2.3 Аналитическая зависимость коэффициента теплопроводности от температуры облучения и флюенса нейтронов 70

4.2.4 Влияние термического отжига на теплопроводность графита 75

Заключение 84

Публикации по теме диссертации 87

Список литературы 89

Перечень сокращений 95

• Запасённая энергия (энергия Вигнера)
• Кинетика отжига радиационных дефектов
• Коэффициент теплопроводности при температуре облучения
• Влияние термического отжига на теплопроводность графита

Введение к работе

Актуальность

Графит ГР-280 используется в реакторах большой мощности канального типа (РБМК) в качестве материала кладки, которая выполняет функцию основного конструкционного элемента активной зоны, замедлителя и отражателя нейтронов.

К настоящему времени кладка большинства реакторов РБМК выработала назначенный тридцатилетний ресурс. Однако результаты проведённых исследований указали на потенциальную возможность её дальнейшей эксплуатации. В связи с этим концерн «Росэнергоатом» в рамках общей целевой программы Минатома РФ по обоснованию предельно достижимого срока службы графитовых кладок реакторов РБМК поставил задачу расчёта напряженно-деформированного состояния блоков графита ГР-280, облучённого до предельного флюенса нейтронов около 3-Ю²⁶ м"² (здесь и далее для Е > 0,18 МэВ) в рабочем интервале температуры кладки 450 650 С [1].

При расчёте напряженно-деформированного состояния кладки одним из основных параметров, определяющих как радиационные, так и термические напряжения, возникающие в графитовых блоках при их эксплуатации, является теплопроводность графита. Теплопроводность графита ГР-280, облучённого при 450 650 С до флюенса нейтронов порядка 10²⁶ м"², изучена сравнительно слабо. Из-за сложности высокотемпературных измерений коэффициент теплопроводности определяли в основном при комнатной температуре, данные для рабочих условий графитовой кладки и нештатных ситуаций, сопровождающихся перегревом активной зоны, получали, как правило, методом экстраполяции, что снижает их достоверность.

При нештатных перегревах активной зоны, а также при выборе оптимальных способов и методов обращения с накопленными радиоактивными отходами, среди которых отработанный графит занимает одно из основных мест, немаловажную роль играет уровень запасённой энергии в графитовой кладке.

Вопрос накопления запасённой энергии в графитовых элементах активной зоны уран-графитовых реакторов и характеристик её выхода в последнее время широко обсуждается в печати [2, 3, 4, 5, 6].

Большинство имеющихся в настоящий момент экспериментальных данных по запасённой энергии в графите относятся к температурам облучения, не превышающим 150 200 С, и флюенсу нейтронов не более 210²⁵ м"². В ряде обзорных работ [4, 5, 6] были предприняты попытки спрогнозировать уровень запасённой энергии в графите, облучённом при высоких температурах, и сделан

вывод, что для однозначного решения проблемы необходимы дополнительные экспериментальные исследования.

Таким образом, исследования теплопроводности графита ГР-280, облучённого при 450 650 С до флюенса нейтронов порядка 10²⁶ м-², и запасённой в нём энергии являются актуальными.

Цели и задачи

Целью работы является определение запасённой энергии в графитовых элементах кладки реактора РБМК и их теплопроводности в области высокой температуры измерения, соответствующей условиям нормальной эксплуатации кладки реактора и нештатных ситуаций, связанных с перегревом активной зоны.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи.

1. Получить экспериментальные данные по общей запасённой энергии и скорости её выхода при отжиге графита, облучённого при 450 650 С до флюенса нейтронов 3,2-10²⁶ м-², в интервале от температуры облучения (Т_обл) до 1300 С.

2. Выполнить кинетический анализ спектра запасённой энергии графита, облучённого при 450 С до флюенса нейтронов 3,2-10²⁶ м-², в интервале от Т_обл до 1300 С, определить энергии активации и тип радиационных дефектов в данном графите.

3. Получить экспериментальные данные по коэффициенту теплопроводности графита, облученного при 450 650 С до флюенса 3,2-10²⁶ м-², в интервале температуры 20 1200 С, построить аналитическую зависимость коэффициента теплопроводности от температуры облучения и флюенса нейтронов в области высоких флюенсов нейтронов.

4. Провести высокотемпературный отжиг графита, облученного при 450 650 С до флюенса нейтронов 1,5-10²⁶ м-², и выполнить оценку его влияния на теплопроводность данного графита.

Научная новизна

5. Получены новые экспериментальные данные по уровню накопления и скорости выхода запасённой энергии из графита, облучённого при 450 640 С до флюенса нейтронов 3,2-10²⁶ м-², в интервале от температуры облучения до 1300 С.

6. Определены энергии активации и тип радиационных дефектов в графите, облучённом при 450 С до флюенса нейтронов 3,2-10²⁶ м-².

7. Впервые получены экспериментальные данные по коэффициенту теплопроводности графита ГР-280, облучённого при 450 640 С до флюенса нейтронов 3,2-10²⁶ м-², в интервале температуры измерения 25 1200 С и построена аналитическая зависимость коэффициента теплопроводности графита

ГР-280 от температуры облучения и флюенса нейтронов в области критических¹ и
закритических флюенсов нейтронов в диапазоне температуры облучения 450
800 С, учитывающая образование микротрещин в графите вследствие облучения.
4. Выявлено влияние высокотемпературного отжига на коэффициент

теплопроводности графита ГР-280, облучённого при 450 640 С до флюенса нейтронов 1,5-10²⁶ м-². Теоретическая и практическая значимость работы

8. Экспериментальные данные по теплопроводности графита ГР-280, облучённого до высокого флюенса нейтронов при 450 650 С, в области высоких температур измерения, а также по выходу запасённой энергии значительно расширяют существующую базу данных по радиационной стойкости реакторного графита.

9. Использование экспериментальных значений теплопроводности графита ГР-280, облучённого до высокого флюенса нейтронов при температуре 450 650 С, при высоких температурах измерения, а также зависимости коэффициента теплопроводности графита ГР-280 от температуры облучения и флюенса нейтронов позволяет увеличить точность расчетов напряженно-деформированного состояния кладок реакторов РБМК в условиях повышенных рабочих температур, имеющих место при длительных сроках эксплуатации, и в нештатных ситуациях, сопровождающихся перегревом активной зоны.

10. Данные по выходу запасённой энергии из графита, облучённого до высокого флюенса нейтронов при температуре 450 650 С, могут быть использованы при прогнозировании поведения и лицензировании графитовых элементов активных зон действующих и разрабатываемых высокотемпературных газовых реакторов.

11. Спектр запасённой энергии графита, облучённого до высокого флюенса нейтронов, и рассчитанные по нему энергии активации процессов отжига вносят существенный вклад в развитие теоретических моделей радиационного дефектообразования в реакторном графите.

Достоверность результатов

Достоверность полученных результатов обоснована применением аттестованных методик измерения, материаловедческих исследовательских установок, воспроизводимостью экспериментальных данных и согласованностью результатов с опубликованными литературными данными.

¹ Флюенс нейтронов, при котором графит после стадии усадки возвращается к исходным размерам, затем наступает стадия распухания

Основные положения, выносимые на защиту

12. Нагревание графита ГР-280, облучённого при температуре 450 640 С, от Т_обл до 1300 С приводит к выделению до 200 Дж/г запасённой энергии. Максимальная скорость выхода запасённой энергии наблюдается при температуре послерадиационного отжига 1100 С.

13. В графите, облучённом при температуре 450 С до флюенса нейтронов 3,2-10²⁶ м~², в интервале от Т_обл до 1300 С происходит отжиг радиационных дефектов с энергиями активации 1,95 4,03 эВ, которые соответствуют энергиям миграции моно- и дивакансий и эволюции кластерной структуры.

14. Аналитическая зависимость коэффициента теплопроводности от параметров облучения, полученная из корреляции теплопроводности и вторичного распухания графита под действием облучения, позволяет рассчитывать теплопроводность графита ГР-280 в области критических и закритических флюенсов нейтронов в диапазоне Т_обл = 450 800 С.

15. Под действием отжига при температуре 1200 С в течение 2 ч. теплопроводность графита ГР-280, облучённого при Т_обл = 450 640 С до флюенса нейтронов (0,5 1,5)-10²⁶ м"², увеличивается приблизительно в 2 раза. Личный вклад

Автор совместно с научным руководителем выполняла постановку цели и задач, участвовала в усовершенствовании и отработке методик послереакторных исследований облучённого графита. Автор самостоятельно получила основную, определяющую часть экспериментальных результатов и выполнила анализ данных.

Апробация работы

Часть диссертационной работы выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-38-00277.

Основные результаты работы были доложены на десятой Российской конференции по реакторному материаловедению (27 31 мая 2013 г., г. Димитровград), на седьмой Научной конференции молодых сотрудников АО «ГНЦ НИИАР» (24 28 февраля 2014 г., г. Димитровград), на второй Всероссийской молодежной научно-технической конференции с международным участием «Инновации в материаловедении» (РАН, 01 04 июня 2015 г., г. Москва), на XII Международном Уральском Семинаре «Радиационная физика металлов и сплавов» (с 26 февраля по 3 марта 2017 г., г. Кыштым), на Всероссийской молодежной конференции «Научные исследования и технологические разработки в обеспечение развития ядерных технологий нового поколения» (05 07 апреля 2016 г., г. Димитровград).

Публикации

По материалам диссертации в различных изданиях опубликовано 9 печатных работ, в том числе три в издании из Перечня ВАК.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы. Диссертация изложена на 95 страницах, содержит 48 рисунков, 6 таблиц, список литературы из 60 наименований.

Запасённая энергия (энергия Вигнера)

Нейтроны, взаимодействуя с атомами углерода и выбивая их с места равновесия, теряют свою скорость, передавая часть своей кинетической энергии кристаллической решётке графита. На выбивание атома из узла кристаллической решетки графита при температуре облучения 500 С тратится энергия 23±3 эВ [28].

При образовании одиночного междоузельного атома, основная часть этой энергии рассеивается в виде тепла, а около 5 эВ остаются запасёнными в форме избыточной энергии кристаллической решетки.

При образовании устойчивой пары Френкеля переданная энергия затрачивается на разрыв связей между атомами ближайшего окружения и на удаление выбитого атома от вакансии за пределы объема спонтанной рекомбинации, при этом большая часть энергии расходуется в ходе разнесения вакансии и междоузельного атома, поскольку во время движения выбитого атома в процессе обмена энергией участвует значительное число атомов решетки [28]. Энергия образования изолированной пары Френкеля составляет 13,7 эВ [6].

Система атомов всегда стремится к минимуму свободной энергии, поэтому в процессе облучения кристаллическая решётка графита непрерывно преобразуются так, что избыточная энергия, приходящаяся на один атом кристаллической решётки, уменьшается. В результате этих преобразований создаются новые виды дефектов, имеющие более сложную структуру.

Общая "запасенная энергия" кристаллической решётки записывается следующим образом

Причину увеличения свободной энергии в графите под действием облучения впервые объяснил в 1942 г. американский физик венгерского происхождения Э. П. Вигнер. Поэтому избыточную свободную энергию или запасённую энергию принято также называть энергией Вигнера.

При нагреве облучённого графита до температуры, превышающей температуру облучения, происходит термический отжиг радиационных дефектов (дефекты аннигилируют, исчезают на границах зёрен, образуют скопления и т.д.) и выделение запасённой энергии, которое приводит к саморазогреву графита.

В случае аварийного повышения температуры в реакторе, выделяемая из графита энергия дополнительно разогревает активную зону и тем самым ещё больше усугубляет ситуацию. Так произошло, например, на промышленном реакторе в Виндскейле (сейчас Sellafield) в 1957 г.

Серьезные последствия аварии в Виндскейле заставили специалистов обратить более пристальное внимание на вопрос накопления запасённой энергии в графите низкотемпературных реакторов.

В середине 50-ых Г.Н. Кинчин на международной конференции в Нью-Йорке продемонстрировал данные по выходу запасенной энергии при отжиге экструдированного графита, облученного при 50 С до флюенса нейтронов 2-Ю24 м"2 (рис. 1.4) [29]. Данные были получены методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК), скорость нагрева составляла 20 С /мин. Как видно из рисунка, энергия начинает выделяться при нагреве образца примерно до 100 С, в районе 200 С хорошо виден пик выхода энергии.

Позже было установлено, что температура начала реакции (начала выхода запасенной энергии) растет линейно с температурой облучения (рис. 1.5). Температура начала реакции всегда приблизительно на 50 С выше температуры облучения. В данном случае исследовали адиабатическим методом образцы графита из реактора ВЕРО с температурой облучения от 20 С до 140 С [30].

Рисунок 1.6 демонстрирует зависимость скорости выхода запасенной энергии от температуры отжига графита, облучённого при 30 С до флюенса нейтронов 1,3-1024 м"2 11,6-1024 м"2 (-0,03 0,26 сна) [31]. На всех представленных кривых можно наблюдать пик в районе 200 С, высота которого увеличивается при увеличении флюенса нейтронов до 4,2-1024 м"2 ( 0,09 сна). При дальнейшем росте флюенса нейтронов, высота пика снижается, но увеличивается доля запасенной энергии, относящаяся к более высоким температурам отжига.

Именно таким образом были получены данные по общей запасённой энергии в графите, представленные на рисунке 1.7 [9]. Величина общей запасенной энергии, как видно из рисунка 1.7, возрастает с увеличением дозы, достигая постоянного уровня при определенной дозе и уменьшается с увеличением температуры облучения (в образцах, облучённых при температуре 30 C, накапливается около 630 кал./г, а в образцах, облучённых при температуре 450 C, – 15 кал./г).

В ходе проводимых исследований было установлено, что даже после отжига при 1000 С в графите остается некоторая часть запасенной энергии (рис. 1.8) [31, 32].

Изучение температурной зависимости скорости выхода запасённой энергии ограничивались, как правило, температурой отжига 600 С. Существует лишь несколько работ по изучению высокотемпературного отжига дефектов [31, 33], в которых было установлено, что на кривой зависимости скорости выхода запасённой энергии от температуры отжига, наряду с пиком при температуре 200 С, в районе приблизительно 1400 С существует второй значимый пик (рис. 1.9).

Пик при 200 С на кривой зависимости скорости выхода запасённой энергии от температуры большинство специалистов связывают с процессом рекомбинации пар Френкеля [6]. Природа пика при 1400 С не установлена, так как данные для этого пика очень ограничены.

Таким образом, как видно из обзора литературы, большинство работ было посвящено исследованию уровня накопления запасённой энергии, характера её выхода при отжиге графита, облучённого при температуре, не превышающей 150 200 С, до флюенса нейтронов не более 2-1025 м-2.

Запасённая энергия в графите, облучённом до флюенса нейтронов порядка 1026 м-2 при температуре от 500 С до 800 С, практически не исследовалась.

Аналитическое описание процесса выхода запасённой энергии

Отжиг дефектов является термически активируемым процессом, поэтому зависимость скорости выхода запасённой энергии от температуры в общем виде можно записать следующим образом [23]

Кинетика отжига радиационных дефектов

Зависимость скорости выхода запасённой энергии от температуры отжига позволяет установить число и последовательность элементарных стадий отжига радиационных дефектов и определить значения параметров их кинетических уравнений. Методика кинетического анализа зависимости скорости выхода запасённой энергии от температуры отжига при постоянной скорости увеличения температуры отжига подробно описана в работах [23, 51].

На рисунке 3.6 приведены зависимости dS/dT{T), полученные при отжиге двух образцов, облучённых при температуре 450 С до флюенса нейтронов 3,21026 м"2, с разными скоростями нагрева 20 С/мин и 40 С/мин.

На кривых можно выделить 7 элементарных стадий.

Зависимость dS/dT от температуры отжига на каждой из стадий описывается следующим уравнением [23]

Из равенства нулю в точке максимума (Т=Тт) производнойdS(E % можно записать, считая, что энергия активации подчиняется гауссовому распределению, следующее

Графики уравнения (3.3) и рассчитанные по ним кинетические параметры и E0 для каждой из 7 стадий отжига образца, облучённого при температуре 450 С до флюенса нейтронов 3,21026 м-2, представлены на рисунке 3.7 и в таблице 3.1.

С использованием кинетических параметров и E0, в соответствии с выражением (3.5) была рассчитана суммарная кривая скорости выхода запасённой энергии.

Приведенный в табл. 3.1 набор кинетических параметров обеспечивает хорошую согласованность расчётной и экспериментальной кривых. Экспериментальная и расчётная кривые приведены на рис. 3.8.

Таким образом, проведённый кинетический анализ позволил установить, что при отжиге графита, облучённого до флюенса нейтронов 3,21026 м-2 при температуре 450 С, спектр запасённой энергии в диапазоне от температуры облучения до 1300 С включает в себя следующие пики. Во первых, это широкий пик (среднеквадратическое отклонение составляет 0,18 эВ) средней интенсивности с наименьшим значением энергии активации E0 = 1,95 эВ. Далее в порядке возрастания энергии активации: слабый пик с E0 = 2,33 эВ, два пика средней интенсивности с E0 = 2,7 эВ и E0 = 3,03 эВ, вновь слабый пик с E0 = 3,44 эВ и два наиболее интенсивных пика с E0 = 3,72 эВ и E0 = 4,03 эВ. Полученный набор энергий активации помогает установить природу протекающих процессов отжига.

Согласно известным исследованиям [4, 6], междоузельные атомы в графите благодаря их низкой энергии активации уже в ходе облучения при температуре 400 500 С собираются в крупные кластеры. Кластеры затем преобразуются в дополнительную атомную плоскость. Вакансии достигают подвижности при температуре около 500 600 С. Поэтому, можно предположить, что пик, расположенный в районе температуры 630 С, является следствием миграции моновакансий. Энергия активации моновакансий, полученная рядом авторов на основе экспериментальных исследований, лежит в широком интервале от 1,8 до 3,6 эВ, а энергия активации, полученная путём квантово-механических расчетов, составляет около 1,7 эВ [52]. В высоко облученном графите, согласно экспериментальной работе [53], энергия активации вакансий составляет приблизительно 1,8 ± 0,3 эВ. Таким образом, данные, полученные нами экспериментальным путем, согласуются с выводами авторов работ [4, 6, 52, 53] о том, что моновакансии начинают мигрировать в районе температуры 500 600 С с энергией активации около 1,95 ± 0,18 эВ.

Вакансии мигрируя взаимодействуют друг с другом, образуя дивакансии а также возможно вакансионные кластеры большего размера. Свободная энергия, приходящаяся на каждую вакансию, при этом уменьшается.

Из-за большого числа типов радиационных дефектов в графите при температуре выше 600 С, различающихся размером, конфигураций а также энергий активации, процессы отжига радиационных дефектов в облученном графите в данном температурном диапазоне изучены сравнительно слабо.

Процессы отжига радиационных дефектов с энергией активации 2,33 3,03 эВ, соответствующие пикам 2 4 на спектре запасённой энергии, являются, по всей видимости, миграцией дивакансий. Дивакансии могут иметь различную конфигурацию и, как было показано в работе [52], одна из них, дивакансия третьего порядка (рис. 3.9), способна перемещаться в решетке графита путём двойной трансформации с энергией активации 2,8 эВ (энергетическая диаграмма приведена на рис. 3.10). Энергия 2,8 эВ близка к энергии активации, соответствующей пикам 2 4 на спектре запасённой энергии. Дивакансии, двигаясь и встречаясь друг с другом, образуют квадровакансии (см. рис. 3.11), либо, встречаясь с кластерами вакансионного и внедренного типов, изменяют их размер. Так как энергия активации данных процессов зависит от высоты энергетического барьера, преодолеваемого подвижными дивакансими, на кривой зависимости скорости выхода запасенной энергии от температуры могут появляться дополнительные пики, как и наблюдается в нашем случае.

На кривой зависимости скорости выхода запасенной энергии от температуры в диапазоне 900 1300 С наблюдаются три пика, соответствующие энергиям активации процессов отжига радиационных дефектов 3,44 4,03 эВ. Данным энергиям активации могут соответствовать, согласно данным работы [52], процессы «испарения» моновакансии из 4 или 6 вакансионного кластера или дислокационной петли. Моновакансии, «испарившиеся» из кластера, имеют высокую подвижность (энергия активации 1,7 эВ) и сливаются с неподвижным вакансионным или междоузельным кластерами, при этом выделяется значительное количество запасенной энергии.

Коэффициент теплопроводности при температуре облучения

На рисунке 4.5 приведено относительное изменение X под действием облучения (АШисх=(Аисх-Аобл)/Аисх). Измерения выполняли при температуре, соответствующей температуре облучения (Тисп=Тобл). Как видно из рис. 4.5, теплопроводность графита под действием облучения уменьшается, причём относительное изменение X для всех температур облучения спадает немонотонно с ростом флюенса нейтронов.

Для каждой температуры облучения можно выделить три интервала флюенса нейтронов (F): 1-ый интервал - это малые F (до 0,5-1026 м-2), где наблюдается резкое падение величины АХ/Хисх; 2-ой интервал - промежуточные F (0,5-1026 м-2 1,5-1026 м-2), где изменение АММСХ незначительно; и 3-ий интервал - это F выше 1,5-1025 м-2, где вновь начинается ускорение темпов падения X.

Известно, что резкое падение X графита на начальном этапе облучения является следствием интенсивного накопления точечных радиационных дефектов и их мелких скоплений. Вторая стадия (стадия стабилизации теплопроводности) наступает в результате возрастающего числа стоков, когда количество вновь образованных дефектов компенсируется количеством дефектов, исчезнувших на стоках [36, 39].

Третья стадия, характеризующаяся ускорением темпов падения X, наступает практически одновременно со стадией ускоренного роста объёма образцов. На рисунке 4.6 приведено относительное изменение коэффициента теплопроводности (АА/Лисх) и относительное изменение объема образца (AV/VUCX\ полученное в данной работе и взятое из работы [39] соответственно. Образцы были облучены в одинаковых условиях и принадлежат одной партии.

В области флюенсов нейтронов от 2,0-1026 м"2 и выше, как видно из рисунка 4.6, наблюдается ускоренный рост объёма образцов обл, в этом же диапазоне флюенса нейтронов прослеживается и ускоренное падение Х0бЛ В области высоких флюенсов нейтронов, как известно, происходит значительное радиационное анизотропное изменение размеров кристаллитов, вызывающее активное зарождение и рост микротрещин [36, 38, 39]. Микротрещины, в свою очередь, влекут за собой большие внутренние напряжения и распухание графита, а также резкое ухудшение его механических и теплофизических свойств, в том числе и теплопроводности [39], что мы и наблюдаем на рисунке 4.6. На рис. 4.7 представлена зависимость X графита от Тобл (Хобл(Тобл)). Коэффициент теплопроводности графита, облучённого до флюенса нейтронов 0,5-1025 м"2, получен авторами работы [58]. У графита, облучённого до флюенса нейтронов 0,5-1026 м"2, как видно из рисунка 4.7, Хобл увеличивается с повышением температуры облучения. У графита, облучённого до флюенса нейтронов более 0,5-1026 м"2, коэффициент теплопроводности, напротив, уменьшается с повышением температуры {X образца, облучённого до флюенса нейтронов 1,5-1026 м"2, при увеличении Тобл с 450 С до 640 С, например, уменьшается на 45 %).

Наблюдаемое при низких флюенсах нейтронов увеличение теплопроводности с повышением температуры облучения соответствует существующему представлению, что увеличение температуры стимулирует отжиг радиационных дефектов и, таким образом, повышает теплопроводность. Причина уменьшения теплопроводности графита, облучённого до высокого флюенса нейтронов, при увеличении температуры облучения не очевидна и связана, по всей видимости, с ускорением процесса образования и роста микротрещин [11, 36].

Влияние термического отжига на теплопроводность графита

В целях исследования влияния высокотемпературного отжига на теплопроводность облучённого графита проводили специальные эксперименты, в которых облучённые образцы нагревали до температуры 600 С, 800 С, 1000 С и 1200 С, выдерживали в течение 2 часов, после чего измеряли коэффициент теплопроводности. В результате проделанных экспериментов был установлен характер зависимости изменения теплопроводности исследуемых образцов от температуры и длительности отжига.

На рисунке 4.14 приведены зависимости от температуры измерения исходного графита и графита, облучённого до флюенса нейтронов 1,51026 м-2 при температуре 450 С, до отжига и после отжига в диапазоне 600 1200 С. Коэффициент теплопроводности образцов после отжига измеряли в диапазоне от комнатной температуры до температуры отжига, что позволило проследить изменение характера температурной зависимости коэффициента теплопроводности под действием отжига. Как показали результаты измерения, отжиг при температуре до 800 С не оказывает значительного влияния на теплопроводность образца: до отжига относительное изменение X облучённого графита (АУХ = (W cx)/ cx), измеренное при температуре, соответствующей температуре облучения, составляет -64 %, а после отжига при 600 С и 800 С соответственно -63 и -61 % (см. рис. 4.15). При температуре отжига выше 800 С происходит резкое увеличение относительного изменения коэффициента теплопроводности

Поведение температурной зависимости коэффициента теплопроводности облучённого образца после отжига при температуре 600 С, 800 С и 1000 С аналогично поведению температурной зависимости коэффициента теплопроводности облучённого образца до отжига: при комнатной температуре измерения коэффициент теплопроводности образца до отжига и после отжига при температуре 600 С, 800 С и 1000 С составляет 21 Вт/(мК), 22 Вт/(мК), 24 Вт/(мК) и 30 Вт/(мК) соответственно; с увеличением температуры измерения коэффициент теплопроводности увеличивается на 16 23 % и достигает максимума при температуре приблизительно 250 С, выше температуры 250 С (до температуры измерения 800 1000 С) теплопроводность образцов уже значительно не меняется.

После отжига при 1200 С коэффициент теплопроводности облучённого образца при комнатной температуре измерения поднимается до 49 Вт/(мК). В районе температуры измерения 150 200 С на кривой Хобл+отж(Ттм) появляется пик ( на пике равен 53 Вт/(мК)), после которого следует плавное снижение теплопроводности, т.е кривая Хобл+отж{Ти3м) приобретает вид, характерный для графитовых материалов с достаточно высокой степенью совершенства кристаллической решётки.

При высоких температурах X облучённого графита приближается под действием отжига при 1200 С к уровню необлучённого графита (так, например, при температуре 1200 С X облучённого образца после отжига составляет 41 Вт/(мК), а исходного - 47 Вт / (м К)), а в области температуры измерения от 20 С до 300 С продолжает оставаться существенно ниже коэффициента теплопроводности необлучённого графита, что свидетельствует о присутствие в образце значительного количества радиационных дефектов.

Радиационные дефекты, сохранившиеся после отжига при 1200 С, представляют собой, очевидно, скопления вакансий, имеющие энергию активации больше 4 эВ, а также, возможно, межкристаллитные трещины.

Влияние длительности отжига

Отжиг образцов выполняли на установке LFA 427, что позволило измерять коэффициент теплопроводности непосредственно в процессе отжига и таким образом проследить характер его изменения с течением времени.

На рис. 4.16 представлена зависимость Хабл от длительности отжига при 1200 С на примере образца, облучённого при температуре 560 С до флюенса нейтронов 1,5 1026 м"2. Как видно из рисунка, темп изменения Х0бЛ при отжиге практически не изменяется с течением времени, коэффициент теплопроводности облучённого графита под действием отжига увеличивается приблизительно на 1,5 Вт/(мК) в час.

Однако, следует заметить, что первое измерение коэффициента теплопроводности при 1200 С, в силу методических особенностей эксперимента, возможно получить только после стабилизации температуры печи, т.е. выдержки образца на данном температурном уровне в течение 10 12 мин. А именно в этот период наблюдается наиболее интенсивный отжиг радиационных дефектов (см. раздел 3.2).

На рисунке 4.17 приведены данные коэффициента теплопроводности этого же образца в диапазоне от 20 С до температуры облучения. Звёздочкой на графике обозначен коэффициент теплопроводности образца при 1200 С, полученный путём экстраполяции начального участка кривой зависимости обл(Ти3м) без учёта отжига радиационных дефектов в диапазоне температуры 600 1200 С. Кроме того, т.к. графит облучён до высокого флюенса нейтронов, при экстраполяции полагали, что фонон-фононное рассеяние в области температуры 600 1200 С уступает рассеянию фононов на радиационных дефектах и поэтому теплопроводность в диапазоне 600 1200 С с увеличением температуры измерения не уменьшается. Из вышесказанного следует, что без отж. можно рассматривать как максимальное из возможных значений X при 1200 С без отжига радиационных дефектов.

Сравнивая данные, приведённые на рисунках 4.16 и 4.17, можно заметить, что коэффициент теплопроводности образца при первом измерении приблизительно на 10 Вт/(мК) выше X, полученного методом экстраполяции. Таким образом коэффициент теплопроводности наиболее резко возрастает в начальный период отжига, за время, необходимое для стабилизации температуры печи (а также частично при нагреве образца в диапазоне от Тобл. до 1200 С).

На рис. 4.18 представлены X облучённого графита для двух значений флюенса нейтронов: 0,51026 м"2 и 1,51026 м"2. Коэффициент теплопроводности измеряли при комнатной температуре до и после отжига при 1200 С.

Как видно из рисунка, X облучённого графита в результате отжига возрастает на 19 39 Вт / (м К). С увеличением флюенса нейтронов и температуры облучения разность между X графита до и после отжига уменьшается. Так, например, с увеличением флюенса нейтронов с 0,51026 м"2 до 1,5 1026 м-2 (іобл+отж-іобл) графита, облучённого при 450 С, уменьшается с 39 Вт/(мК) до 28 Вт/(мК), а при увеличении температуры облучения от 450 С до 650 С (Лобл+отж- обл) графита, облучённого до 1,51026 м"2, снижается с 28 Вт/(мК) до 19 Вт/(мК).