ДОСЛІДЖЕННЯ МЕТОДОМ КЛАСТЕРНОЇ ДИНАМІКИ ВПЛИВУ ВІДПАЛУ НА ДЕФЕКТНУ СТРУКТУРУ ЧИСТОГО ЗАЛІЗА, ЯКЕ ОПРОМІНЕНО НЕЙТРОНАМИ

Анотація

Можливість продовження проєктного терміну експлуатації атомних реакторів водо-водяного типу (ВВЕР) пов'язана, перш за все, з вирішенням задач обґрунтування надійності експлуатація корпусів реакторів при дозах опромінення, що перевищують проєктні, та, у разі необхідності, відновлення їх властивостей. Відомі результати багаторічних досліджень багатьох авторів щодо способу відновлення механічних властивостей корпусів реакторів ВВЕР-440 під тиском шляхом випалу їх при температурі 450 ... 460°С. Однак, для реакторів ВВЕР-1000, які становлять основу атомної енергетики України, можливість відновлення опроміненної корпусної сталі на сьогоднішній день не вивчена у повному обсязі, зокрема, не розроблені температурно-часові режими відпалу. Так, отримано низку експериментальних даних з досліджень зразків-свідків. Проте, бракує комп’ютерного моделювання відпалу опроміненних сталей щодо визначення оптимального поєднання температури і тривалості процедури відпалу. Дана стаття присвячена саме цій проблемі. Методом кластерної динаміки вивчається вплив відпалу на еволюцію дефектних кластерів, що утворились у комерційно чистому залізі C < 30 ppm), яке було опромінено у бельгійському реакторі BR2 при температурі 300°C нейтронами зі флаксом 1,39×10⁻⁷ дпа/с (9×10¹⁷ н/м²/с, E > 1 МеВ) до дози 0,026 дпа (1,7 ×10¹⁹ н/м², E > 1МеВ).

Майстер-рівняння кластерної динаміки для відпалу записується як система звичайних диференціальних рівнянь відносно чисельної щільності ізольованих вакансій (V) та міжатомних вузлів (SIA) та їх кластерів (VC) та (SIAC), у наближенні, що мобільними є лише V та SIA.

Енергії формування, енергії міграції, пред-експоненціальні коефіцієнти дифузії для V та SIA, енергія зв'язку диммера вакансій та міжатомних вузлів, радіус рекомбінації пари V - SIA попередньо визначались з умови найкращого збігу даних комп’ютерного моделювання та експериментальних даних для опромнення нейтронами. Температура та час відпалу варіювалися у діапазоні (300°С-500°С) та (2 години -1 доба), відповідно. Вирішувач LSODA був використаний для безпосереднього інтегрування зазначеної системи звичайних диференціальних рівнянь.

Істотний вплив відпалу на загальну чисельну щільність як SIAC, N_SIAC, так і VC, N_VC, спостерігався при температурах вище 400°C і часах більше 2 годин. Виявлено немонотонну залежність зменшення N_SIAC від тривалості відпалу. Для максимальної використовуваної температури відпалу 500°C було виявлено, що найбільше зниження N_SIAC спостерігається при часі відпалу 18 годин.

Відпал мало впливає на середню кількість SIA і VC у кластерах, n_SIA і n_VC, для температур нижче 400°C. При підвищенні температури відпалу вище 450°С n_SIA і n_VC різко зростають. Одночасне зменшення загальної щільності та збільшення середньої кількості мономерів у кластерах свідчить про те, що внаслідок відпалу при температурах вище 450°С та часі відпалу більше 2 годин SIAC і VC досягають стадії Оствальда.

Згідно з нашим моделюванням, відпал був найефективнішим для зменшення індукованого опроміненням збільшення межі текучості при температурі відпалу 500°C і часі відпалу протягом не 24, як очікувалося, а 18 годин.