Введение к работе
Актуальность темы. Одной из самых актуальных проблем ядерной энергетики является обеспечение надежности работы тепловыделяющих и других конструкционных элементов активной зоны реактора, что непосредственно влияет на безопасность его эксплуатации. Реакторные материалы претерпевают специфические для процесса облучения изменения, из которых важнейшими в практическом отношении являются изменения механических свойств и формоизменение, что может привести к весьма нежелательным эффектам, например, к формоизменению и изгибанию элементов конструкций, к их катастрофическому разрушению, а следовательно, к нарушению работы реактора в процессе его эксплуатации, то есть к созданию аварийной ситуации. Знание и учет этих изменений есть важное условие успешного проектирования элементов реакторных конструкций, их безопасной эксплуатации и прогнозирования их поведения в аварийных ситуациях. В связи с этим особый интерес представляет изучение механизмов изменения скорости ползучести материалов при облучении в реакторе. Это изменение принято связывать с радиационной (реакторной) ползучестью, ибо оказалось, что для большинства материалов скорость радиационной ползучести значительно выше, чем скорость термической ползучести. Экспериментальные исследования радиационного повреждения материалов и изменения их свойств сопряжены с большими затратами труда, средств и времени, а также часто со значительными трудностями технического и технологического характера. Поэтому особую ценность представляет разработка теоретических моделей радиационной ползучести, позволяющих получить оценки скорости радиационной ползучести в значительных диапазонах изменения таких параметров, как температура, нагрузка и плотность потока. Большое разнообразие теоретических моделей радиационной ползучести объединяет одна общая посылка -наличие в облучаемом материале высокой концентрации точечных дефектов (ТД) и стоков для них. Учет этой посылки с привлечением дислокационных представлений позволяет объяснить особенности радиационной ползучести материалов под напряжением результатом скольжения и переползания дислокаций в поле распределенных препятствий. Аналитические теоретические модели, построенные на основе этих представлений, позволяют судить о характере влияния некоторых факторов на скорость радиационной ползучести. Однако выявление особенностей радиационной ползучести на основе модели движения дислокаций в поле распределенных препятствий возможно лишь с привлечением методов математического моделирования на ЭВМ.
Связь работы с научными программами, планами, темами.
Основные положения диссертации выполнены в соответствии с планами
научно-исследовательских работ по п.2.4 Комплексной программы
научно-технической поддержки эксплуатации ЗАЭС (рамковый договор
№69/183), а также тематическими планами НИР кафедры теоретической и
экспериментальной физики Одесского государственного
политехнического университета на 1997-1999 г.
Цель и задачи исследования. Целью работы было разработка теоретической модели установившейся радиационной ползучести открытых физических систем «металл (сплав)+облучение», исследование кинетики активных дислокаций и влияния структурного фактора материала на скорость радиационной ползучести методом математического моделирования на ЭВМ на примере урана и его сплавов с малыми добавками Mo (0,9 -f- 1,3 %). Для реализации цели в работе необходимо решить следующие задачи:
- разработать теоретическую модель установившейся радиационной
ползучести в рамках механизма скольжения и переползания дислокаций,
основашгую на концепции дислокации как неидеального стока для ТД;
разработать математическое обеспечение для моделирования радиационной ползучести на ЭВМ;
- с помощью разработанного математического обеспечения исследовать
кинетику гибкой дислокации, взаимодействующей с препятствиями, при
пересыщении ТД в зависимости от внешней нагрузки, температуры,
концентрации ТД, мощности сферического центра расширения, диаметра
дислокационной петли, а также исследовать кинетику гибкой дислокации
в системе случайно распределенных сферических центров расширения и
дислокационных петель;
получить зависимости установившейся скорости радиационной ползучести технического урана от нагрузки и плотности потока нейтронов;
получить зависимости установившейся скорости радиационной ползучести от температуры для технического урана и сплавов урана с малыми добавками Мо (0,9 -г 1,3 %).
Научная новизна полученных результатов. Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:
-
Разработана теоретическая модель радиационной ползучести в рамках механизма скольжения и переползания дислокаций, основанная на концепции дислокации как неидеального стока для ТД.
-
Разработаны "динамический" метод математического моделирования скольжения и переползания гибкой дислокации и комплекс ЭВМ программ для математического моделирования радиационной ползучести.
-
Впервые проведены исследования кинетики гибкой дислокации, взаимодействующей с препятствиями, при пересыщении ТД в зависимости от внешней нагрузки, температуры, концентрации ТД, мощности сферического центра расширения, диаметра дислокационной петли, а также исследования кинетики гибкой дислокации в системе случайно распределенных сферических центров расширения и дислокационных петель.
-
Впервые обнаружен процесс образования дислокационных петель, оставляемых сильно искривленными участками движущейся дислокации, взаимодействующей с дислокационными петлями, причем петли образуются не вокруг препятствий.
-
Выделен ряд легирующих добавок эффективно (согласно рассматриваемой модели) влияющих на радиационную ползучесть урана.
-
Впервые получены зависимость установившейся скорости радиационной ползучести от температуры для технического урана, полученная в результате моделирующих расчетов при нагрузке 1 кг/мм2 и установившейся концентрации междоузельных атомов ~ 10"12, и зависимость установившейся скорости радиационной ползучести от температуры для сплавов урана с малыми добавками Mo (0,9 -s- 1,3 %), полученная в результате моделирующих расчетов при нагрузке 1 кг/мм2 и установившейся концентрации междоузельных атомов ~ 10"13.
Практическая ценность полученных результатов. Практическая ценность полученных результатов заключается в следующем:
-
Разработан комплекс программно-математического обеспечения, позволяющий расчетным путем получить оценки скорости радиационной ползучести реакторных материалов в значительных диапазонах изменения таких параметров, как температура, нагрузка и плотность потока.
-
Получены зависимость установившейся скорости радиационной ползучести от температуры для технического урана и зависимость установившейся скорости радиационной ползучести от температуры для сплавов урана с малыми добавками Мо (0,9 -г 1,3 %), имеющие важное практическое значение для успешного проектирования элементов реакторных конструкций, их безопасной эксплуатации и прогнозирования их поведения в аварийных ситуациях.
Разработанные в диссертации модели, метод математического моделирования и результаты исследований радиационной ползучести технического урана и сплава урана с малыми добавками Mo (0,9 -s- 1,3 %) внедрены при выполнении ряда НИР и ОКР по государственным заказам в МИФИ (1981 -1987 гг.) и в Казенном Предприятии СКБ «Молния» (1991 -1999 гг.).
Личный вклад соискателя. Все результаты, составляющие основное содержание диссертации, получены лично автором, а именно:
-
Разработана теоретическая модель радиационной ползучести в рамках механизма скольжения и переползания дислокаций, основанная на концепции дислокации как неидеального стока для ТД.
-
Разработаны "динамический" метод математического моделирования скольжения и переползания гибкой дислокации и комплекс ЭВМ программ для математического моделирования радиационной ползучести.
3. Проведены исследования кинетики гибкой дислокации,
взаимодействующей с препятствиями, при пересыщении ТД в
зависимости от внешней нагрузки, температуры, концентрации ТД,
мощности сферического центра расширения, диаметра дислокационной
петли, а также исследования кинетики гибкой дислокации в системе
случайно распределенных сферических центров расширения и
дислокационных петель.
4. Выделен ряд легирующих добавок эффективно (согласно
рассматриваемой модели) влияющих на радиационную ползучесть урана.
-
Получены зависимости установившейся скорости радиационной ползучести технического урана от нагрузки и плотности потока нейтронов.
-
Получены зависимости установившейся скорости радиационной ползучести от температуры для технического урана и сплавов урана с малыми добавками Mo (0,9 ^1,3 %).
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на XXIX и XXX Научных конференциях МИФИ (Москва, 1981 г. и 1983 г.), XVII и XIX Всесоюзных семинарах по моделированию на ЭВМ радиационных дефектов в кристаллах (Харьков, 1983 г. и Свердловск, 1984 г.), VI Всесоюзном совещании по взаимодействию между дислокациями и атомами примесей и свойствам сплавов (Тула, 1985 г.), X Международной конференции по радиационной физике и химии неорганических материалов (Томск, 1999 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 9 печатных работах [1-9], в том числе в 5 статьях в научных журналах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов и заключения. Работа содержит 125 стр. текста, 44 рис., 3 таблицы и 13 приложений. К работе прилагается список использованных источников из 197 наименований.
