Плутоний Фундаментальные проблемы Том 1 - Надыкто Б.А.
ISBN 5-9515-00-24-9
Скачать (прямая ссылка):
При радиационной ползучести материал будет пластически деформироваться, при этом может проходить релаксация напряжений. Следовательно, это полезный механизм с точки зрения распухания за счет образования пор, поскольку он снижает величину напряжений, которые могут возникать. Например, когда распухание происходит в тонком слое материала, примыкающем к жесткой подложке, напряжения, возникающие в этом слое, могут быть описаны уравнением
J_da + dfAV0 =0, (7)
M dt dtVV ) г
ще a - компонента поперечного напряжения в распухающем слое, M=?/[3(1 - v)], ще E - модуль Юнга и v - коэффициент Пуассона, и гр - коэффициент соответствия для радиационной ползучести. Из уравнения (7) видно, что напряжение насыщения достигается в соответствии с выражением
CL
20 40 60 80
Время (годы)
120
Рис. 9. Прогнозы радиационных повреждений в плутонии
На рисунке показано предполагаемое увеличение объема 6-стабилизированного плутония, состаренного при 70 °С. Изменение объема вследствие распухания за счет пор должно быть намного больше, чем от образования гелиевых пузырьков. Однако из-за большой неопределенности в оценке переходного периода не удается оценить, когда наступила стадия линейной скорости роста объема. На рисунке представлено несколько кривых возможного распухания
_L AfAZ
? dt{ V
(В)
Установлено, что это напряжение насыщения составляет примерно половину начального предела текучести отожженного материала. Однако, как отмечалось выше, вторичные процессы приводят к увеличению плотности дислокаций отожженных материалов, а их предел текучести быстро возрастает с увеличением дозы облучения и после примерно 5 сна достигает 2-3 кратного увеличения. Увеличение предела текучести сопровождается уменьшением пластичности, а поэтому тем более важно иметь дополнительный механизм релаксации напряжений, такой как радиационная ползучесть.
Прогнозирование скорости радиационной ползучести или, точнее, коэффициента соответствия для ползучести гр в принципе возможно, как это показано в работах Уолфера (1980) и Мэтьюза и Финиса (1988). Однако, помимо параметров дефектов и микроструктур-ных данных, необходимых для прогноза распухания за счет пор, требуются
и другие параметры дефектов, которые более трудно определить экспериментально или путем математического моделирования. Это - так называемые упругие поляризуемости вакансий и междоузельных атомов.
Выводы и рекомендации относительно будущих исследований
Представленный здесь анализ влияния самооблучения на плутоний показывает, что необходимо учитывать повреждение как в связи с накоплением гелия, так и за счет смещений. Накопление одного только гелия навряд ли представляет серьезную проблему с точки зрения старения плутония, тогда как повреждения, образующиеся при смещении атомов, могут привести к значительным изменениям размеров в результате следующих двух явлений.
Number 26 2000 Los Alamos Science
285
Радиационные эффекты в плутонии
100
10
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10
Обогащение по плутонию-238 в атомных долях
Рис. 10. Ускорение старения
Если обогатить образец оружейного плутония изотопом 238Pu, то можно значительно сократить время накопления дозы радиационного повреждения в 10 смещений на атом. Без обогащения для получения такой дозы потребуется 100 лет. Если повысить долю 238Pu всего лишь до 5 %, это время сократится до 10 лет. Однако влияние мощности дозы излучения на старение неизвестно. Неясно также, как можно перенести данные экспериментов по ускоренному старению на исследование старения в центральных частях оружия
Во-первых, ожидается, что распухание вследствие образования пор происходит при температурах от -30 до 150 0C и может достигать скорости около 0,1 % в год. Однако переходный период, или время, необходимое для достижения этой установившейся скорости распухания, может составлять где-то от 10 до 100 лет хранения после изготовления центральной части оружия. Продолжительность переходного периода зависит от многих переменных величин, включая состав сплава, дислокации и структуру зерен и эволюцию последних двух во времени. Все эти металлургические переменные навряд ли можно определить с достаточной точностью, чтобы спрогнозировать переходный период в 6-фазе плутония.
Во-вторых, радиационно-индуциро-ванное б^а фазовое превращение в мало стабилизированных сплавах плутония может привести к значительной усадке (удельный объем a-фазы на 20 % меньше, чем 6-фазы). Это явление тесно связано с процессами, протекающими при распухании за счет пор, и оба
механизма изменения размеров могут, на самом деле, происходить одновременно. Наличие этого процесса можно легко доказать путем экспериментальных исследований фазового состава состаренного плутония методом рентгеноструктурного анализа.
Представленный в настоящей статье анализ в большой степени основывается на допущении, что 6-фазу плутония можно рассматривать как обычный металл с гцк структурой по отношению к облучению и влиянию гелия. Понятно, что это допущение нужно заменить фактическими данными по изменению размеров под воздействием облучения, а также данными измерений и теоретических расчетов критических свойств дефектов для стабилизированной 6-фазы плутония.
