Захват дейтерия в материале сварного шва малоактивируемой ферритно-мартенситной стали ЭК-181

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Впервые исследован захват дейтерия в сварном шве отечественной малоактивируемой ферритно-мартенситной стали ЭК-181 в сравнении с обычными образцами той же стали. Сварной шов был получен методом аргонодуговой сварки двух листов стали ЭК-181 толщиной 2 мм. Образцы выдерживали в газообразном дейтерии при давлении 5 атмосфер и температуре в диапазоне 623–773 К в течение 25 часов. Количество захваченного дейтерия определяли методом термодесорбции. Было обнаружено, что после выдержки в газе образцы, вырезанные из сварного шва, сохраняют примерно в 2 раза большее количество дейтерия, чем образцы из обычной стали ЭК-181. Количество пиков в спектрах термодесорбции одинаково как для обычной стали, так и для области сварного шва. Моделирование спектров термодесорбции было осуществлено при помощи кода TMAP7. Предложенная модель включает наличие окислов на поверхности и высокую концентрацию дефектов в приповерхностном слое образцов, при этом хорошо описывая экспериментальные ТДС-спектры. Обсуждается возможная природа состояний водорода в стали, обуславливающая особенности термодесорбционных спектров.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. В. Голубева

НИЦ “Курчатовский институт”

Автор, ответственный за переписку.
Email: av_golubeva@nrcki.ru
Россия, Москва

А. П. Персианова

НИЦ “Курчатовский институт”

Email: av_golubeva@nrcki.ru
Россия, Москва

В. С. Ефимов

НИЯУ МИФИ

Email: av_golubeva@nrcki.ru
Россия, Москва

Н. П. Бобырь

НИЦ “Курчатовский институт”

Email: av_golubeva@nrcki.ru
Россия, Москва

В. M. Чернов

НИЯУ МИФИ; ВНИИНМ им. А.А. Бочвара

Email: av_golubeva@nrcki.ru
Россия, Москва; Москва

Список литературы

  1. Ioltukhovskiy A.G., Leonteva-Smirnova M.V., Solonin M.I., Chernov V.M., Golovanov V.N., Shamardin V.K., Bulanova T.M., Povstyanko A.V., Fedoseev A.E. Heat resistant reduced activation 12% Cr steel of 16Cr12W2VTaB type-advanced structural material for fusion and fast breeder power reactors // J. Nucl. Mater. 2002. P. 532–535.
  2. Chernov V.M., Leonteva-Smirnova M.V., Potapenko M.M., Budylkin N.I., Devyatko Yu.N., Ioltoukhovskiy A.G., Mironova E.G., Shikov A.K., Sivak A.B., Yermolaev G.N., Kalashnikov A.N., Kuteev B.V., Blokhin A.I., Loginov N.I., Romanov V.A., Belyakov V.A., Kirillov I.R., Bulanova T.M., Golovanov V.N., Shamardin V.K., Strebkov Yu.S., Tyumentsev A.N., Kardashev B.K., Mishin O.V., Vasiliev B.A. Structural materials for fusion power reactors—the RF R&D activities // Nucl. Fusion. 2007. V. 47. P. 839–848.
  3. Kim H.S., Moon H.K., Park C.K., Jung Y.J., Ha M.S., Park S.H., Joo Y.M., Joo J.K., Kang S.G., Seo J.Y. Han Y.H., Lim N.J., Yoon B.H., Choi S.Y., Hwang H.S., Hong K.H., Ahn H.J., Lee Y.J., Kim B.C., Lee H.G., Jung K.J., Sa J.W., Choi C.H., Chung W.H., Kim H.K., Kim Y.G., Kim G.H., Hong Y.S., Martinez J.M., Martin A., Jing J., Privalov M., Xiang B., Lobinger F., Pedrosa N., Rodilla E., Utin Y., Mestric A., Jung Y.S., Tok J.Y.W., Park K.H., Kim H.C., Seok S.H., Park D.B., Moon G.H., Lee J.H., Lim K.S., Kim J.B., Yeo H.K., Lee J.J. Manufacturing completion of the first ITER vacuum vessel sector // Nucl. Fusion. 2022. V. 63. 076044 (14 p.).
  4. Golubeva A.V., Bobyr N.P., Cherkez D.I., Spitsyn A.V. Hydrogen interaction with the low activation ferritic-martensitic steel EK-181 (Rusfer) // J. Nucl. Mater. 2013. V. 438. P. s983–s987.
  5. Денисов Е.А., Компаниец Т.Н., Мурзинова М.А., Юхимчук А.А. (мл.). Накопление и транспорт водорода в ферритно-мартенситной стали РУСФЕР-ЭК-181 // Журнал технич. физики. 2013. T. 83. Вып. 6. C. 38–44.
  6. Spitsyn A.V., Golubeva A.V., Bobyr N.P., Khripunov B.I., Cherkez D.I., Petrov V.B., Mayer M., Ogorodnikova O.V., Alimov V.Kh., Klimov N.S., Putrik A., Chernov V.M., Leontieva-Smirnova M.V., Gasparyan Yu.M., Efimov V.S. Retention of deuterium in damaged low-activation steel Rusfer (EK-181) after gas and plasma exposure // J. Nucl. Mater. 2014. V. 455. Iss. 1–3. P. 561–567.
  7. Shi Yi., Zhang G., Liao H., Wang Xi., Wu Sh. Optimization of electron beam butt welding of 32 mm CLF-1 steel T-joints of Test Blanket Module (TBM) in ITER // Fusion Eng. & Design. 2020. V. 161. P. 111931.
  8. Wen-Hua D., Yun-Tao S., Ji-Jun X., Chao F., Wei J., Wu J.F. Investigation on the microstructure and mechanical properties of autogenous laser welding joint of ITER BTCC case lid // Fus. Eng. &Design. 2020. V. 156. P. 11160.
  9. Леонтьева-Смирнова М.В., Агафонов А.Н., Ермолаев Г.Н., Иолтуховский А.Г., Можанов Е.М., Ревизников Л.И., Цвелев В.В., Чернов В.М., Буланова Т.М., Голованов В.Н., Островский З.О., Шамардин В.К., Блохин А.И., Иванов М.Б., Козлов Э.В., Колобов Ю.Р., Кардашев Б.К. Микроструктура и механические свойства малоактивируемой ферритно-мартенситной стали ЭК-181 (RUSFER-EK-181) // Перспективные материалы. 2006. Т. 6. С. 40–52.
  10. Leontieva-Smirnova M.V., Agafonov A.N., Mozhanov E.M., Chernov V.M. Weldability of heat-resistant chromium (12%) steels EK-181 and ChS-139 // Problems of atomic science and technology. Ser. Fusion. 2011. Iss. 4. P. 14–21.
  11. Jiang Zh., Ren L., Huang J., Ju Xi., Wu H., Huang Q., Wu Y. Microstructure and mechanical properties of the TIG welded joints of fusion CLAM steel // Fusion Engin. Design. 2010. V. 85. P. 1903–1908.
  12. Golubeva A.V., Bobyr N.P., Cherkez D.I., Gasparyan Yu.M., Khripunov B.I., Klimov N.S., Spitsyn A.V., Chernov V.M. Hydrogen isotopes interaction with ferritic-martensitic steel Ek-181(Ek-181-Rusfer): Review of results obtained // Perspective mater. 2021. No. 4. P. 5–18.
  13. Danilov I.V., Kapyshev V.K., Kovalenko V.G., Kalashnikov A.N. Facility for studies of structural materials permeability to hydrogen isotopes // Questions Atomic science Techniq. Ser. Fusion. V. 37. Iss. 2. P. 38–44.
  14. Бекман И.Н. Математический аппарат диффузии. Москва: Юрайт. 2019. 95 с.
  15. Rusinov A.A., Gasparyan Y.M., Perelygin S.F., Pisarev A.A., Stepanov S.O., and Trifonov N.N. A setup for thermodesorption measurements. // Instr. Exp. Techn., 2009. V. 52. P. 871–876.
  16. Голубева А.В., Алимов В.Х., Ефимов В.С., Бобырь Н.П., Козлов Д.А. Влияние условий хранения на выход дейтерия из малоактивируемых ферритно-мартенситных сталей // Поверхность. Рентгеновские синхротронные и нейтронные исследования. 2024. (В печати).
  17. Koyama M., Rohwerder M., Tasan C.C., Bashir A., Akiyama E., Takai K., Raabe D., Tsuzaki K. Recent progress in microstructural hydrogen mapping in steels: quantification, kinetic analysis, and multi-scale characterisation // Mater. Sci. Techn. 2017. V. 33. № 13. P. 1481–1496.
  18. Алимов В.Х. Облучение малоактивируемых ферритно-мартенситных сталей дейтериевой плазмой. Обзор данных о модификации поверхности, диффузии и накоплении дейтерия // Поверхность. Рентгеновские синхротронные и нейтронные исследования. 2024. (В печати).
  19. Wu W., Zhang X., Li W., Fu H., Liu S., Wang Y., Li J. Effect of hydrogen trapping on hydrogen permeation in a 2205 duplex stainless steel: Role of austenite–ferrite interface // Corrosion Science. 2022. V. 202. P. 110332.
  20. Frappart S., Feaugas X., Creus J., Thebault F., Delattre L., Marchebois H. Study of the hydrogen diffusion segregation into Fe–C–Mo martensitic HSLA steel using electrochemical permeation test // J. Phys. Chem. Solids. 2010. V. 71. № 10. P. 1467–1479.
  21. Mizuno M., Anzai H., Aoyama T., Suzuki T. Determination of hydrogen concentration in austenitic stainless steels by thermal desorption spectroscopy // Mater. Trans., JIM. 1994. V. 35. № 10. P. 703–707.
  22. Longhurst G.R. TMAP7 User Manual. Idaho National Laboratory (INL). 2008. 79 p.
  23. Шишкова Т., Голубева А., Розенкевич М. Изотопный эффект при взаимодействии водорода с материалами термоядерных реакторов // Russian J. Phys. Chem. A. 2023. V. 97. № 10. P. 1371–1392.
  24. Xu Yu-P., Lu T., Li Xi.-Ch., Liu F., Liu H.-D., Wang J., An Zh.-Q., Ding F., Hong S.-H., Zhou H.-Sh., Luo G.-N. Influence of He ions irradiation on the deuterium permeation and retention behavior in the CLF-1 steel // Nuclear Instruments Methods Phys. Research Section B: Beam Interactions Mater. Atoms. 2016. V. 388. P. 5–8.
  25. Chen C.F., Yu H.B., Zheng S.Q. First-principles study of hydrogen diffusion mechanism in Cr2O3 // Sci. China Techn. Sci. 2011. V. 54. P. 88–94.
  26. Serra E., Perujo A. Influence of the surface conditions on permeation in the deuterium–MANET system // J. Nuclear mater. 1997. V. 240. № 3. P. 215–220.
  27. Арбузов В.Л., Воронин В.И., Гощицкий Б.Н., Данилов С.Е., Казанцев В.А., Катаева Н.В., Сагарадзе В.В. Особенности структурно-фазовых состояний и физических свойств ферритно-мартенситной стали ЭК-181 после различных термообработок // Вопр. атомной науки и техники. Серия: Материаловедение и новые материалы. 2015. № 1. С. 8–21.
  28. Katsuta H., Furukawa K. Hydrogen and deuterium transport through type 304 stainless steel at elevated temperatures // J. Nuclear Sci. Techn. 1981. V. 18. № 2. P. 143–151.
  29. Чернов В.М., Леонтьева-Смирнова М.В., Потапенко М.М., Полехина Н.А., Литовченко И.Ю., Тюменцев А.Н., Астафурова Е.Г., Хромова Л.П. Структурно-фазовые превращения и физические свойства ферритно-мартенситных 12%-ных хромистых сталей ЭК-181 и ЧС-139 // Журнал технич. физики. 2016. Т. 86. № 1. С. 99–104.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Поверхность образцов стали ЭК-181, данные СЭМ: (a) шов аргонодуговой сварки; (б) область внутри прямоугольника с рис. 1а с большим увеличением; (в) поверхность стали ЭК-181 до сварки, данные растрового электронного микроскопа.

Скачать (630KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Различные области сварного шва. Изображения СЭМ.

Скачать (498KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Модуль для выдержки образцов в газе: 1 – камера экспозиции, окруженная внешним экраном; 2 – токовводы нагревателя; 3 – датчик давления; 4 – линия газонапуска с азотной ловушкой.

Скачать (270KB)
Метаданные
5. Рис. 4. ТДС-спектры образцов стали ЭК-181, выдержанных в дейтерии при давлении 5 атмосфер: тонкие линии – обычные образцы, жирные линии – сварной шов.

Скачать (41KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость количества дейтерия, захваченного в образцах, от температуры, при которой образцы выдерживали в газообразном дейтерии при давлении 5 атмосфер в течение 25 ч.

Скачать (15KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Экспериментальные и смоделированные ТДС-спектры образцов стали ЭК-181, выдержанных в D2-газе при 623, 673 и 723 К.

Скачать (49KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Влияние приповерхностных ловушек на форму модельного ТДС-спектра.

Скачать (37KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Смоделированные без оксидного слоя на образце ТДС-спектры дейтерия. Красным цветом показан ТДС-спектр с одной ловушкой равномерной концентрации, зеленым цветом – ТДС-спектр с той же самой равномерной ловушкой, но при этом добавлена вторая приповерхностная ловушка. Серым цветом показаны ТДС-спектры при разных концентрациях приповерхностной ловушки (от максимальной концентрации (зеленого цвета) до нулевой концентрации (красного цвета)).

Скачать (54KB)
Метаданные
10. Рис. 9. ТДС-спектр с “сильной ловушкой” (СЛ), без СЛ и их сумма. По сумме ТДС-спектров видно, что узкий пик на ~1000 К не может быть описан простым добавлением СЛ в моделирование.

Скачать (59KB)
Метаданные