Оценка пластичности и поврежденности материала оболочек твэлов, облученных быстрыми нейтронами

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Проведены механические испытания кольцевых образцов, вырезанных из нижнего, центрального и верхнего участков двух твэлов, облученных в реакторе БН-600. С помощью анализа напряженно-деформированного состояния получены значения разрушающего напряжения, степени деформации сдвига, накопленной до разрушения, и выполнена количественная оценка поврежденности материала оболочек твэлов. Дополнительно исследована микроструктура. Показано, что при сформировавшейся структуре и остаточном запасе пластичности поврежденность облученного материала оболочек твэлов находится на удовлетворительном уровне.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Р. П. Карагерги

АО “Институт реакторных материалов”

Автор, ответственный за переписку.
Email: karagergi_rp@irmatom.ru
Россия, а/я 29, Свердловской обл., Заречный, 624250

И. А. Портных

АО “Институт реакторных материалов”

Email: karagergi_rp@irmatom.ru
Россия, а/я 29, Свердловской обл., Заречный, 624250

А. В. Коновалов

Институт машиноведения имени Э.С. Горкунова УрО РАН

Email: karagergi_rp@irmatom.ru
Россия, ул. Комсомольская, 34, Екатеринбург, 620049

С. В. Барсанова

АО “Институт реакторных материалов”

Email: karagergi_rp@irmatom.ru
Россия, а/я 29, Свердловской обл., Заречный, 624250

А. В. Козлов

Институт физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАН

Email: karagergi_rp@irmatom.ru
Россия, ул. Софьи Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

Список литературы

  1. Garner F.A. Radiation Damage in Austenitic Steels // Comprehensive Nucl. Mater. 2012. V. 4. P. 33–95.
  2. Козлов А.В. Действие нейтронного облучения на металлы при различных температурах и возможность самоорганизации протекающих при этом процессов // Физика ялементарных яастиц и ятомного ядра. 2006. Т. 37. № 4. С. 1110–1150.
  3. Козлов А.В. Радиационные дефекты в аустенитных сталях при нейтронном облучении и их влияние на физико-механические свойства // Изв. вузов. Ядерная энергетика. 2011. № 1. С. 196–210.
  4. Неустроев В.С. Закономерности низкотемпературной радиационной поврежденности аустенитных сталей. Димитровград: АО "ГНЦ НИИАР", 2023. 168 с.
  5. Гордеев С.С., Сорокин А.П. Влияние различных факторов на формирование температурного поля активной зоны реакторов на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем в процессе кампании // ВАНТ. Серия: Ядерно-реакторные константы. 2018. Вып. 2. С. 2–22.
  6. Поролло С.И., Конобеев Ю.В., Шулепин С.В. Анализ поведения оболочек твэлов БН-600 из стали 0Х16Н15М3БР при высоком выгорании топлива // Ат. энергия. 2009. Т. 106. № 4. С. 188–194.
  7. Чуев В.В., Митюрев К.В., Коновалов И.И. Выявление факторов ускоренного накопления повреждений в оболочках твэлов, облученных в реакторе БН-600, неразрушающими методами контроля // Изв. вузов. Ядерная энергетика. 2011. № 2. С. 171–180.
  8. Баканов М.В., Мальцев В.В., Ошканов Н.Н., Чуев В.В. Основные результаты контроля работоспособности твэлов с оболочками из аустенитных сталей нового поколения // Изв. Вузов. Яд. энергетика. 2011. № 1. С. 187–195.
  9. Коновалов И.И., Митюрев К.В., Попов В.В., Ганина С.М. Оценка остаточного ресурса оболочек тепловыделяющих элементов реактора БН-600 из аустенитной стали ЧС-68 // Изв. вузов. Ядерная энергетика. 2012. № 1. С. 149–158.
  10. Arsene S., Bai J. A New Approach to Measuring Transverse Properties of Structural Tubing by a Ring Test // JTE. 1996. V. 24. No. 6. P. 386–391.
  11. Grigoriev V., Jakobsson R., Josefsson B., Schrire D. Advanced techniques for mechanical testing of irradiated cladding materials // IAEA. 2002. P. 187–193.
  12. Cohen A.B., Majumdar S., Ruther W.E., Billone M.C., Chung H.M., Neimark L.A. Modified ring stretch tensile testing of Zr–1Nb cladding // Argonne National Laboratory. 1997. 19 p.
  13. Леонтьева-Смирнова М.В., Калин Б.А., Морозов Е.М., Костюхина А.В., Федотов П.В., Такташев Р.Н. Методические особенности испытаний на растяжение кольцевых образцов // Физика и химия обр. материалов. 2019. № 6. С. 62–71.
  14. Леонтьева-Смирнова М.В., Измалков И.Н., Валитов И.Р., Лошманов Л.П., Костюхина А.В., Федотов В.П., Мурзаханов Г.Х., Басканов А.В. Определение предела текучести стали ЭК-181 при испытании на растяжение кольцевых образцов // Заводская лаборатория. Диагностика Материалов. 2016. Т. 82. № 10. С. 56-61.
  15. Karagergi R.P., Evseev M.V., Kozlov A.V. Distribution of plastic deformation along the perimeter of circular specimen of thin-wall fuel-element cladding during its expansion // Mat. Phys. Mech. 2021. Т. 47. No. 1. P. 74–88.
  16. Gurovich B.A., Frolov A.S., Fedotov I.V. Improved evaluation of ring tensile test ductility applied to neutron irradiated 42XNM tubes in the temperature range of (500-1100)°C // Nucl. Eng. Tech. 2020. V. 52. P. 1213–1221. https://doi.org/10.1016/j.net.2019.11.019
  17. Desquines J., Koss D.A., Motta A.T., Cazalis B., Petit M. The issue of stress state during mechanical tests to assess cladding performance during a reactivity-initiated accident (RIA) // JNM. 2011. V. 412. No. 2. P. 250–267
  18. Karagergi R.P., Konovalov A.V., Kozlov A.V. Verification of Plastic Strain Values During Ovalization of a Ring Specimen from a Fuel Element Shell of a Fast Neutron Reactor // Diagn. Res. Mech. Mat. Struct. 2024. No. 5. P. 117–129. https://doi.org/10.17804/2410-9908.2024.5.117-129
  19. Frolov A.S., Fedotov I.V. Comparison of Ring Tension and Compression Test Results for Materials with Low Ductility // Diagn. Res. Mech. Mat. Struct. 2024. No. 6. P. 62–90. https://doi.org/10.17804/2410-9908.2024.6.062-090
  20. Карагерги Р.П., Коновалов А.В., Евсеев М.В., Козлов А.В. Построение диаграммы деформационного упрочнения для анализа напряженно-деформированного состояния материала оболочки твэла // Деформация и разрушение материалов. 2023. № 4. С. 24–31. https://doi.org/10.31044/1814-4632-2023-4-24-31
  21. Karagergi R.P., Kozlov A.V., Yarkov V.Yu., Pastukhov V.I., Barsanova S.V., Churyumova T.A., Mitrofanova N.M., Leont’eva-Smirnova M.V. Microstructure of Fracture Surfaces after Radial Compression of Annular Specimens Made of Cladding Austenitic Steel Exposed to Damaging Dose above 100 dpa // Phys. Met. Metal. 2024. V. 125. No. 6. P. 665–672. https://doi.org/10.1134/S0031918X2460043X
  22. Бобков В.П., Блохин А.И., Румянцев В.Н., Соловьёв В.А., Тарасиков В.П. Справочник по свойствам материалов для перспективных реакторных технологий. Том 5. Свойства реакторных сталей и сплавов / Под общей ред. д-ра техн. наук, проф. В.М. Поплавского. М.: ИздАТ, 2014. 584 с.
  23. Коновалов А.В., Партин А.С. Программа конечно-элементного моделирования растяжения овального образца на полуцилиндрических опорах. Екатеринбург, ИМАШ УрО РАН. Свид. № 2020612158. 2020.
  24. Ладейщиков К.М., Карагерги Р.П., Козлов А.В. Определение упругих характеристик нержавеющих аустенитных и ферритомартенситных сталей / Уральская школа молодых металловедов: сборник статей XXII Международной научно-технической Уральской школы-семинара металловедов — молодых ученых. Екатеринбург: Изд. дом “Ажур”, 2023. С. 396–400.
  25. Колмогоров В.Л., Богатов А.А., Мигачев Б.А., Зудов Е.Г., Фрейдензон Ю.Е., Фрейдензон М.Е. Пластичность и разрушение. М.: Металлургия, 1977. 336 с.
  26. Портных И.А., Козлов А.В. Сравнительные исследования пористости, сформировавшейся в материале оболочек твэлов из стали ЧС68, изготовленных по технологии ПНТЗ и усовершенствованной технологии МСЗ, после эксплуатации в реакторе БН-600 // Изв. вузов. Ядерная энергетика. 2011. № 1. С. 231–239.
  27. Portnykh I.A., Kozlov A.V., Iainbaev A.R. Development of Radiation Porosity in Austenitic EK164-ID c.d. Steel Irradiated at 715–815 K to Damage Doses of 72–92 dpa // Russian Metallurgy (Metally). 2021. V. 2021. No. 3. Р. 290–296.
  28. Портных И.А., Панченко В.Л., Устинов А.Е., Козлов А.В. Эволюция микроструктуры стали типа 16Cr-19Ni при облучении в зоне малого обогащения реактора на быстрых нейтронах. Формирование и развитие радиационной пористости // ФММ. 2025. № 1. С. 98–109.
  29. Панченко В.Л., Портных И.А., Устинов А.Е. Эволюция микроструктуры стали типа 16Cr-19Ni при облучении в зоне малого обогащения реактора на быстрых нейтронах. Влияние условий нейтронного облучения на структурно-фазовое состояние // ФММ. 2025. № 2. С. 110–122.
  30. Козлов А.В., Портных И.А., Блохин А.И., Блохин Д.А., Демин Н.А. Зависимость критического диаметра зародыша пор в аустенитной стали ЧС-68 от температуры нейтронного облучения в модели образования гелий-вакансионных пузырьков // Физика и химия обр. материалов. 2012. № 1. С. 16–22.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема растяжения кольцевого образца на полуцилиндрических опорах.

Скачать (346KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Схемы испытания кольцевых образцов: (а) продольное сжатие кольца 5.0 мм (тип 1) и (б) комбинированное испытание кольца 2.5 мм (радиальное сжатие и растяжение образца тип 2).

Скачать (321KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Примеры диаграмм радиального сжатия (овализации) кольцевых образцов типа 2 из участков НАЗ (а), ЦАЗ (б), ВАЗ (в) (сплошные черные линии — экспериментальные данные, символы — результаты расчетов).

Скачать (1MB)
Метаданные
5. Рис. 4. Кольцевой образец из ЦАЗ твэла 1 (а), разрушившийся при овализации, и изображение его поверхности излома на вставке; овализованный образец из НАЗ, разрушившийся при растяжении (б).

Скачать (1MB)
Метаданные
6. Рис. 5. Примеры диаграммы растяжения овализованных образцов из участков НАЗ (а) и ВАЗ (б) (сплошные черные линии — экспериментальные данные).

Скачать (934KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Типичная поверхность разрушения кольцевых образцов из участков ЦАЗ (а), НАЗ (б) и ВАЗ (в).

Скачать (2MB)
Метаданные
8. Рис. 7. Вид шейки образца НАЗ2 твэл 2 (а), который имеет более высокую пластичность, и типичная шейка образцов НАЗ и ВАЗ (б).

Скачать (1MB)
Метаданные
9. Рис. 8. Шейка с разрушенной и неразрушенной сторон необлученного кольцевого образца после растяжения на полуцилиндрических опорах.

Скачать (2MB)
Метаданные
10. Рис. 9. Результат вычисления степени пластической деформации сдвига Λ (а) и сопротивления деформации σs (б) при анализе НДС кольцевого образца во время овализации.

Скачать (1MB)
Метаданные
11. Рис. 10. Результат вычисления степени пластической деформации сдвига Λ (а) и сопротивления деформации σs (б) при анализе НДС овализованного образца во время растяжения на полуцилиндрических опорах.

Скачать (1MB)
Метаданные
12. Рис. 11. Результат вычисления показателя напряженного состояния k при анализе НДС кольцевого образца во время овализации (а) и растяжении на полуцилиндрических опорах (б).

Скачать (1MB)
Метаданные
13. Рис. 12. Расположение мелких пор до 5 нм (светлые точки) в структуре образцов на элементах дислокационной структуры (а), на границах зерен (б) и на межфазных границах (в).

Скачать (1MB)
Метаданные
14. Рис. 13. Микроструктура материала оболочки твэла на участках НАЗ (а), ЦАЗ (б), ВАЗ (в).

Скачать (1MB)
Метаданные
15. Рис. 14. Зависимость пластической деформации при разрушении от радиационной пористости на участках оболочек твэлов.

Скачать (425KB)
Метаданные
16. Рис. 15. Зависимость поврежденности оболочек твэлов из аустенитной стали типа 16Cr–19Ni от скорости набора повреждающей дозы.

Скачать (540KB)
Метаданные