Ядерное материаловедение: IFMIF/EVEDA

[tnenergy.livejournal.com]

Оригинал взят у tnenergy в Ядерное материаловедение: IFMIF/EVEDA

Становление атомной энергетики в свое время потребовало создания целого большого пласта материаловедения. Если взять атомный реактор, то к стандартным проблемам прочности при нагреве к любому материалу добавятся требования по определенному взаимодействию с радиационными потоками внутри реактора. Самыми важными оказываются свойства взаимодействия с нейтронами - и с точки зрения нейтронной физики всего реактора (поглощает ли этот конструктивный металл нейтроны? Замедляет? Отражает? Активируется?) и с точки зрения самого материала. Что происходит в материале под воздействием радиации?

Испытания на разрыв облученного образца в "горячей камере". Лаборатория ORLN.

- Быстрые частицы "ломают" решетку, вызывая перескоки атомов материала по ним. Это приводит к уменьшению пластичности и росту хрупкости.
- Нейтроны могут поглощаться различными атомами, вызывая их трансмутацию - превращения в более тяжелый элемент (например Fe56 + и -> Mn57). Чаще всего образовавшийся изотоп радиоактивен, и он распадается через какое-то время. Так происходит активация материала - насыщение его радиоактивными изотопами
- Эти радиоактивные изотопы могут распадаться с образованием альфа-частицы. Альфа-частицы не уходят из материи, а рекомбинируются в гелий. Гелий накапливается внутри материала, вызывает его коробление и растрескивание. Аналогичные процессы (в меньшем масштабе) происходят с накоплением водорода.
- Для очень быстрых налетающих нейтронов возможен прямой развал атома конструкционного материала, с образованием множества осколков и сильно радиоактивного остатка.
- Активация материала приводит к изменению его химического состава и разнообразным коррозионным процессам. Особенно нелегко приходится в местах сварки и спаев


Распухание образца из нержавеющей стали под влиянием нейтронов


Универсальным мерилом того, как далеко заходят эти разрушающие процессы является величина с.н.а. - смещений на атом (или dpa в англоязычной литературе). Она означает, сколько в среднем на каждый атом придется актов взаимодействия с излучениями. Характерные величины для ядерных реакторов - от 5 до 60 с.н.а.


Рассчетные радиационные повреждения выгородки реактора ВВЭР-1000 в с.н.а.


Радиационная стойкость различных марок сталей. ЭИ/ЧС - специальные реакторные стали.

Материаловеды придумали множество сплавов, сталей и неметаллических материалов для работы в таких условиях. Их, кстати, часто отличает сумасшедшая точность состава, речь идет о точности до 0,01% содержания легирующих примесей. На сегодня 60 с.н.а. является пределом для современных ядерных материалов, причем такие материалы еще и ограничены по рабочей температуре, и не могут, например, использоваться в горячих быстрых реакторах.


Различные по содержанию кислорода и железа циркониевые сплавы. Обратите внимания, что области допустимых значений допантов ~500 ppm, т.е. 0,05%

Однако для будущих быстрых реакторов деления и для термоядерных реакторов нужны материалы, способные стоять до 150 (а лучше до 300) с.н.а. без разрушения, а в случая термояда - стоять не просто в потоке нейтронов, но в потоке сверхэнергичных нейтронов. Кстати, одной из основных проблем этого раздела материаловедения является медленных набор повреждающих доз - 20 с.н.а в год в лучших реакторах, т.е. что бы набрать 160 с.н.а., надо оставить сборку в реаторе на 8 лет.


Перспективные реакторные материалы и программа их облучения в реакторе БОР-60.

Для того, что бы создавать и проверять материалы будущих термоядерных реакторов нужны специфические источники термоядерных нейтронов. Тут не подойдут ни высокопоточные исследовательские ядерные реакторы, ни спаляционные (ускорительные) установки. Поэтому в 2000х годах Европа и Япония приняли программу создания специальной исследовательской лаборатории IFMIF/EVEDA для испытаний перспективных материалов.


Схема IFMIF/EVEDA


И план здания. Найди человека в этой "лаборатории".

Установка IFMIF представляет из себя два небольших, но сильноточных ускорителя дейтронов (ионов дейтерия) до энергии примерно 40 МЭв и литиевой мишени (а именно льющегося потока жидкого лития, толщиной 25 мм). Ускоритель довольно уникальный большим током (125 мА), выдаваемым в постоянном (а не импульсным) режиме. Ускоритель состоит из традиционных элементов - плазменного источника ионов, фокусирующих систем (LEBT, MEBT, HEBT), радиочастотного ускорительного модуля с электродинамическим удержанием ионов (RFQ) и радиочастотного ускорительного модуля с электромагнитным удержанием и резонаторными полостями (SRF Linac).


Ускоритель IFMIF, его элементы и разработчики

Ускоренные дейтроны от двух одинаковых ускорителей взаимодействуют с литием по реакции D + Li -> 2He + n. При этом образовавшийся нейтрон очень похож на термоядерный по своей энергии. Литиевая мишень, кстати, тоже довольно уникальная конструкция, занимающаяся очисткой лития от продуктов деления и формирующая завесную мишень.


Схема литиевой мишени...


И ее прототип в натуральную величину!

Получившиеся нейтроны прилетают на испытательный объем, который имеет камеры с разной мощностью нейтронного потока. В самой высокоинтенсивной камере (объемом всего поллитра, что тем не менее позволяет испытывать множество небольших образцов одновременно) создается поток 10^18 н*сек/см^2 - это в 200 раз больше, чем на самых высокопоточных ядерных реакторах. Есть камеры и с меньшей интенсивностью, которые, однако, позволяют тестировать уже целые экспериментальные конструкции с охлаждающей жидкостью и т.п.



Спектральная мощность нейтронного потока в перспективном термоядерном реакторе DEMO, и лаборатории IFMIF

Вторая часть лаборатории (EVEDA)- это горячие камеры для всяких исследований того, что же случилось с облученными образцами, как изменились их механически, физические и химические свойства.


Облучательные камеры IFMIF/EVEDA В центре HFTM скорость набора дозы быстрыми нейтронами будет составлять 60 сна в год.


Образцы материалов, которые будут испытываться в IFMIF. Всего в высокопоточную камеру можно загрузить до 1000 таких образцов.


И примерно вот такие испытательные горячие камеры для исследований облученных образцов.

На данный момент идет установка и поэтапный запуск оборудования (так - "голова" ускорителя, источник ионов уже во всю тестируется на рабочих режимах). Оборудование установки изготавливается как европейскими, так и японскими организациями.


Здание, где будет работать IFMIF/EVEDA

После запуска лаборатории в 2017 году в ней начнутся интенсивные исследования перспективных материалов для первой стенки, бланкета и других элементов ТЯР, "живущих" в самых тяжелых радиационных исследованиях. Возможно, именно здесь перспективные материалы типа ванадий-титановых сплавов или карбида кремния SiC перейдут из перспективных в утвержденные. Если их характеристики окажутся близки к ожидаемым, то промышленные токамаки могут стать заметно ближе, а многие из "бумажных" концепций ядерных реакторов деления (например travelling wave reactor) станут возможными.

Comments

[big-lebovvski.livejournal.com]

Очень интересно)

[big-lebovvski.livejournal.com]

Если позволите нехитрый логический вывод. Ничего почти не понял из схем и особенно вывода из разбухания образца из нержавейки (какой нержавейки? состав? длительность испытаний? что к чему почему? ничего), но понял из конечного вывода, что исследования перспективных материалов для первой стенки, бланкета и других элементов ТЯР, "живущих" в самых тяжелых радиационных исследованиях уже реальны настолько, что вот только их и не хватает для создания ТЯР. Очень любопытно.

[tnenergy.livejournal.com]

>Если позволите нехитрый логический вывод. Ничего почти не понял из схем и особенно вывода из разбухания образца из нержавейки (какой нержавейки? состав? длительность испытаний? что к чему почему? ничего)

Вывод очень простой - невозможно спроектировать устройство для работы в ядерном/термоядерном реакторе без сурового подбора материала. Даже распухание на несколько процентов уже ставит крест на геометрии и работоспособности изделия.

>уже реальны настолько, что вот только их и не хватает для создания ТЯР.

Не то, что бы только их, но это один из ключевых аспектов. Второй - все же ИТЭР, где все принципиальные процедуры работы промышленного термоядерного реактора будут отрабатываться.

[big-lebovvski.livejournal.com]

омг. проехали.

[nlothik.livejournal.com]

> Ускоритель довольно уникальный большим током (125 мА), выдаваемым в постоянном (а не импульсным) режиме.

125 миллиампер считается большим током для ускорителя? Интересно.

[nik-lxiii.livejournal.com]

При 10 кВ, вполне хватит, чтоб поджарить картошку. (см. Закон Ома)

[Василий Бурцев (from livejournal.com)]

125мА при 40 МэВ.... этож 5 мегаватт
картошка не поджарится, она взорвется

Это настоящий луч смерти

[nero-schwarz.livejournal.com]

вы делите энергию в Джоулях на ток в Амперах и получаете мощность в Ваттах, ну-ну...

[tnenergy.livejournal.com]

1 эВ - это кинетическая энергия электрона при прохождении потенциала 1 вольт, так что можно писать эВ х А = Вт.

[nero-schwarz.livejournal.com]

тогда уж эВт, правда совершенно бессмысленный... Но уж точно не просто Вт.
Кинетическая энергия помноженная на ток, никак не станет мощностью;)

[tnenergy.livejournal.com]

Как же нет, следите за руками: через выбранное сечение в секунду пролетает N штук электронов. Если N = 1,6*10^19, то мы говорим, что ток равен одному амперу. Каждый электрон несет кинетическую энергию, 1 эВ или 1/(1,6*10^19) Дж, и получается что через сечение переносится 1 ватт мощности. Ну а если энергия будет 40 МэВ, а ток 125 мА, то мощность составит 5 мегаватт, все верно.

[nero-schwarz.livejournal.com]

надо подумать, в чём-то вы неправы, нащупаю сейчас...
Но пока ответьте на вопрос: в эВ измеряется кинетическая энергия не только заряженных частиц, но и нейтральных. Т.е. в случае нейтральных частиц (тех же фотонов в лазере) у вас вообще нулевая мощность при любых раскладах?
Ну и чисто физически вы не можете умножить энергию на ток и получить мощность!!!

[tnenergy.livejournal.com]

Ок, давайте про нейтралы. Ток легко можно превратить в штуки электронов через измеряемое сечение. Если сделать такой переход и считать в штуках нейтральные атомы, то все будет так же - умножаем штуки на энергию каждого в эВ - для каждых 1,6х10^19 штук получаем перенесенную энергию в джоулях численно равную средней энергии в МэВ.

P.S. Кстати для быстрых нейтралов (http://tnenergy.livejournal.com/1262.html) порой считают поток именно в амперах, хотя это тут совсем уже никак ни к месту вроде но - проще сравнивать с ускорителями.

[nero-schwarz.livejournal.com]

ммм... кажется я где-то неправ, пардоньте. Надо разобраться глубже и вникнуть, а то я спорил, не осознавая свою ошибку. Просто было странным по началу, как Джоуль*Ампер=Ватт...
Завтра на свежую голову поразмышляю:)

[nero-schwarz.livejournal.com]

блин, вы такое нагородили, что у меня мозг ломается "через сечение переносится 1 ватт мощности" — это вообще как??? Переносится может энергия, но мощность?

[tnenergy.livejournal.com]

Как в электрическом проводе.

[b-my.livejournal.com]

Нельзя. :) Ну размерности же не сходятся попросту.

То есть, можно сказать, что электроны с энергией 1эВ и током 1А - это мощность 1Вт, но вот в виде уравнения такое записывать нельзя. В уравнении с амперами должна стоЯть разность потенциалов, а никак не энергия.

[tnenergy.livejournal.com]

Да, весьма прилично. Обычно доли миллиампера, у БАК - несколько миллиампер.

[nero-schwarz.livejournal.com]

Интересно, не знал, что изменение/трансформация материала в реакторах столь критична.

[qwertyneo.livejournal.com]

Поэтому в 2000х годах Европа и Япония приняли программу создания специальной исследовательской лаборатории IFMIF/EVEDA для испытаний перспективных материалов.
Я насколько понимаю ядерная энергетика после недавних событий в почете только на Руси, Галлии и ряде стран с развитой недемократией. У нас то есть какой-то аналог или хотя-бы программа развития?

[tnenergy.livejournal.com]

Аналог IFMIF? Нет, это слишком специализированная установка. У нас больше стараются вкладывать в поле традиционной ядерной энергетики.

А программ у всех навалом. "Прорыв" вон один чего стоит.

[22sobaki.livejournal.com]

Оч. интересно. Не предполагал, что нержавейка так распухает под воздействием нейтронов.

[tnenergy.livejournal.com]

Да, вот так вот. Кстати - в основном распухает из-за роста количества дислокаций в кристаллической решетке, а не из-за накопления гелия.

[22sobaki.livejournal.com]

Жалко, была бы газированная нержавейка)

[ikaktys.livejournal.com]

есть, это основная проблема в ИТЭР, внутреняя стенка распухает и шелушится

[tnenergy.livejournal.com]

Для ИТЭР как раз это далеко не основная проблема, там первая стенка по расчетам за 30 лет наберет 2 сна. А вот тепловые нагрузки от срывов плазмы, охрупчивание водородом - это проблема.

[igu-szr.livejournal.com]

Интересная статья, спасибо!

"Характерные величины для ядерных реакторов - от 5 до 60 с.н.а." Это в год, так понимаю?

И еще. Вот эта величина (с.н.а.) - она каким-то образом измеряется?



D + Li -> 2He + n Так вот для чего нужна эта установка - производство воздушных шариков!*


^{* - наверное самый суровый способ :)}

[tnenergy.livejournal.com]

>"Характерные величины для ядерных реакторов - от 5 до 60 с.н.а." Это в год, так понимаю?

Это максимальные набранные разными элементами реактора. Оболочки твэлов набирают 20 с.н.а. за 5 лет, выгородка вон - 52 с.н.а. за 30 лет.

>И еще. Вот эта величина (с.н.а.) - она каким-то образом измеряется?

Интересный вопрос. Не знаю, каким образом измеряется, простых вроде нет :) Поищу в литературе.