Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по разным специальностям
На правах рукописи
Евсеев Леонид Александрович ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВЫГОРАНИЯ ИЗОТОПА 10B В КАРБИДЕ БОРА СТЕРЖНЕЙ АВАРИЙНОЙ ЗАЩИТЫ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ ВВЭР-1000 И БН-6Специальность: 01.04.07 - Физика конденсированного состояния
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Ульяновск - 20
Работа выполнена в Открытом акционерном обществе Государственный научный центр - Научно-исследовательский институт атомных реакторов (ОАО ГНЦ НИИАР) и на кафедре Радиационных технологий Инженерно-физического факультета высоких технологий Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Ульяновский государственный университет (ФГБОУ ВПО Ульяновский государственный университет)
Научный консультант: доктор технических наук, профессор, Рисованый Владимир Дмитриевич
Официальные оппоненты:
Светухин Вячеслав Викторович, доктор физико-математических наук, профессор, директор НИТИ ФГБОУ ВПО Ульяновский государственный университет Аверин Сергей Александрович, кандидат технических наук, начальник лаборатории ОАО Институт реакторных материалов
Ведущая организация: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ (ФГАОУ ВПО НИЯУ МИФИ), г. Москва.
Защита состоится л18 октября 2012 г. в л15 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.278.01 при ФГБОУ ВПО Ульяновский государственный университет по адресу:
г. Ульяновск, ул. Набережная реки Свияги, 106, корп. 1, ауд. 703.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ульяновского государственного университета, с авторефератом - на сайте вуза и на сайте ВАК при Министерстве образования и науки РФ
Автореферат разослан У____Ф сентября 2012 г.
Отзывы на автореферат просим направлять по адресу:
432017, г. Ульяновск, ул. Л. Толстого, 42, Ульяновский государственный университет, Управление научных исследований.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.278.01, кандидат физико-математических наук Вострецова Л.Н.
Актуальность работы.
Надёжная и безопасная эксплуатация ядерных реакторов во многом зависит от эффективной работы стержней управления и защиты (СУЗ) с поглощающими нейтроны материалами.
В настоящее время в стержнях СУЗ ядерных реакторов на тепловых и быстрых нейтронах наиболее широко используется карбид бора. Это обусловлено его высокой эффективностью поглощения нейтронов в широком спектре энергий, высокой температурой плавления (2240 C), низкой физической плотностью (2,4Ч 2,5 г/см3), технологичностью изготовления, низкой наведённой активностью и сравнительно невысокой стоимостью [1, 2].
При захвате изотопом 10B нейтрона образуются два новых изотопа (элемента) - 7 Li и He с выделением большого количества энергии (2,78 МэВ). Таким образом, происходит выгорание изотопа B со снижением физической эффективности стержней СУЗ и накопление твёрдых и газообразных продуктов ядерных реакций, от содержания которых зависит радиационная стойкость и время эксплуатации изделий.
Существовавшие в России на момент проведения настоящей работы расчетные и экспериментальные методы определения выгорания были недостаточны для решения фундаментальных проблем, связанных с природой радиационных процессов в карбиде бора на микроуровне, так как они не обладали необходимой локальностью и, в основном, определяли только общее выгорание изотопа В в достаточно больших объёмах материала, что определило выбор метода вторичноионной масс-спектрометрии (ВИМС) для экспериментальных исследований изотопного состава облучённых поглощающих материалов на основе карбида бора.
Изучение закономерностей локального выгорания, полученных с микроразрешением по различным пространственным сечениям сердечников поглощающих элементов, облученных в различных спектрах нейтронов, необходимо для обоснований эксплуатационных свойств карбида бора, понимания радиационного поведения системы Упоглощающий материал - конструкционный элементФ в целом, для совершенствования и верификации расчетных кодов, разработки новых сложных конструкций поглощающих элементов (пэлов), что определяет актуальность темы диссертационной работы и её направленность на обоснование надёжной и безопасной эксплуатации как действующих реакторов ВВЭР-1000 и БН600, так и разрабатываемых в рамках федеральной целевой программы УЯдерные энерготехнологии нового поколения на период 2010Ч2015 годов и на перспективу до 2020 годаФ ядерных реакторов на быстрых нейтронах БН-800, БН-1200, БРЕСТ300, СВБР-100 [3].
Целью работы являлось изучение закономерностей выгорания изотопа B в поглощающих сердечниках из карбида бора стержней аварийной защиты ядерных реакторов ВВЭР-100 и БН-600, после 6 лет (1804 эффективных суток) и 320Ч5эффективных суток эксплуатации, соответственно.
Для достижения поставленной цели были решены следующие научно-технические задачи:
проведен анализ литературных данных по методам изучения выгорания изотопа B в карбиде бора и имеющимся опубликованным экспериментальным результатам;
разработаны и аттестованы методики для проведения одномерного (1D) и двухмерного (2D) анализа изотопов 10B, 11B, 7Li, 12C в облучённых образцах карбида бора с линейным разрешением 10 мкм на разработанной исследовательской установке на базе вторично-ионного масс-спектрометра МС7202М;
получены экспериментальные данные о выгорании изотопа 10B в карбиде бора стержней аварийной защиты (АЗ) ядерных реакторов ВВЭР-1000 и БН-600;
изучена структура и химический состав образцов карбида бора на модифицированном сканирующем электронном микроскопе РЭМ-101 и исследовательском комплексе на базе автоэмиссионного растрового микроскопа сверхвысокого разрешения Zeiss SUPRA 55VP;
разработана модель, описывающая изменение скорости захвата нейтронов в карбиде бора в условиях эксплуатации активных зон ядерных реакторов на быстрых нейтронах;
проведены расчёты распределения скоростей захвата нейтронов изотопами 10 B по радиусу поглощающего сердечника из карбида бора (обогащение 80% B, плотность 2,2 г/см3, диаметр 20 мм) в активной зоне ядерного реактора на быстрых нейтронах БОР-60, являющегося прототипом реактора БН-600.
Научная новизна диссертационной работы:
1. Разработаны методики одномерного и двухмерного количественного анализа содержания изотопов в облучённом карбиде бора с использованием ВИМСустановки типа МС7202М. Определён диапазон концентраций и относительная погрешность измерений молярной доли изотопа B при одномерном анализе с линейным разрешением 10 мкм. Получены значения параметров фрактальной размерности и относительной шероховатости, определяющие целесообразность использования двухмерного анализа.
2. Определены закономерности радиального выгорания изотопа 10B с линейным разрешением от 10 мкм по сечению таблеток карбида бора с естественным обогащением, облучённых в реакторе ВВЭР-1000 потоком тепловых нейтронов (En<0,5 эВ) в течение 1804 эффективных суток в режиме АЗ. Установлено, что на расстоянии 0Ч3 мм от наружного края таблеток происходит снижение выгорания с 70% у края сердечника до 3% к его центру. Неравномерность выгорания в наружном слое таблеток, обусловленная длиной пробега тепловых нейтронов в карбиде бора, изменяется по радиусу таблетки по формуле 10Ввыгор(r) = 20,7r-0,8, где r - расстояние от края сердечника, мм.
3. Определены закономерности изменения структуры и радиального выгорания изотопа 10B с линейным разрешением от 10 мкм по сечению таблеток обогащённого карбида бора, облучённых в реакторе БН-600 в спектре с общим потоком быстрых нейтронов (En>1 МэВ) в течение 320Ч520 эффективных суток в режиме АЗ.
Установлено, что выгорание в поверхностном слое толщиной 1Ч4 мм превышает среднее по сечению значение выгорания. В нижней части стержней АЗ скорость захвата нейтронов может изменяться скачкообразно. Более высокое выгорание приводит к большему разрыхлению границ, выкрашиванию и микрорастрескиванию, по сравнению с меньшим выгоранием в соответствующих локальных областях облученных таблеток.
4. Выявленные закономерности выгорания изотопа B вдоль радиуса сердечников из карбида бора, обусловлены микроскопическими изменениями нейтронного спектра в области поглощающих элементов, входящих в состав аварийной защиты (АЗ) реактора.
Практическая значимость работы:
1. Экспериментальные данные по выгоранию изотопа B в карбиде бора использованы при обосновании ресурса, надёжности и безопасности эксплуатации стержней аварийной защиты реакторов ВВЭР-1000 и БН-600.
2. Экспериментальные данные по выгоранию изотопа B в карбиде бора с естественным содержанием изотопов 10B и 11B использованы в техническом проекте на ПЭЛ ПС СУЗ ВВЭР-1000 с таблетками карбида бора и гафната диспрозия с повышенными ресурсными характеристиками (15 лет).
3. Экспериментальные данные по выгоранию изотопа B в карбиде бора 80% обогащения по изотопу 10B в активной зоне ядерного реактора БН-600 использованы при проектировании стержней СУЗ инновационных ядерных реакторов БРЕСТ-3и СВБР-100.
4. Разработанная исследовательская установка на базе вторично-ионного массспектрометра МС7202М и аттестованные экспериментальные методики исследований изотопного состава поглощающих композиций используются при выполнении научных программ в ОАО УГНЦ НИИАРФ.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Разработанный метод с использованием вторично-ионного масс-спектрометра типа МС7202М позволяет измерять молярную долю изотопа B в облучённых образцах карбида бора в диапазоне 0,001Ч90% с относительной погрешностью не хуже 0,6%, линейным разрешением 10 мкм, а также проводить двухмерный 10 11 количественный анализ соотношения изотопов B, B, C по радиусу образца с фрактальной размерностью DfВИМС<2,25 при относительной шероховатости RqВИМСотн<50%.
2. После облучения поглощающих элементов с карбидом бора с естественным 10 составом изотопов B и B в реакторе ВВЭР-1000 в течение 1804 эффективных суток в режиме аварийной защиты максимальное выгорание изотопа B в поверхностном слое толщиной 0,1 мм составило 70% при среднем по сечению значении выгорания 25% и изменяется по радиусу таблетки по формуле 10Ввыгор(r) = 20,7r-0,8, где r Ч расстояние от края сердечника, мм.
3. После облучения поглощающих элементов с карбидом бора 80% обогащения по изотопу B в реакторе на быстрых нейтронах БН-600 в течение 320Ч5эффективных суток в режиме аварийной защиты, максимальное выгорание в поверхностном слое составило от 15% до 20%, при среднем по сечению значении выгорания 2Ч5%.
4. В потоке быстрых нейтронов (En>1 МэВ) выгорание изотопа B в карбиде бора характеризуется наличием нескольких характерных зон. На высоте 30Ч50 мм от нижней части стержней АЗ (320, 520 эффективных суток) на расстоянии 0Ч4 мм от наружного края таблеток происходит линейное снижение выгорания. В нижней части стержней АЗ (480 эффективных суток) на участке 1Ч2 мм выгорание увеличивается, а затем плавно снижается вплоть до центра сердечника.
5. Скорость захвата быстрых нейтронов (En>1 МэВ) изотопами B в карбиде бора скачкообразно изменяется по радиусу в пределах 1Ч5% на расстоянии 1Чмм из-за микроскопических изменений нейтронного спектра в области поглощающих элементов стержней АЗ, обусловленных снижением энергии нейтронов при столкновении с атомами 11B и 12C, а также рассеянием нейтронов на конструкционных элементах стержней АЗ.
Апробация работы.
Основные результаты исследований, представленные в настоящей работе, доложены и обсуждены на Х, XIII, XIV Российских симпозиумах по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твёрдых тел (г.
Черноголовка, 1997Ч2005 гг.); на XVII Российской конференции по электронной микроскопии (г. Черноголовка, 1998 г.); на XVI Международном совещании УРадиационная физика твёрдого телаФ (г. Севастополь, 2004 г.); на 5-й Межотраслевой конференции по реакторному материаловедению (г. Димитровград, 1997 г.); на 9-й ежегодной научно-технической конференции ядерного общества России УРегиональная энергетика: ядерные и неядерные решенияФ (Ульяновск - Димитровград, 1998 г.); на ежегодных конференциях по ядерным технологиям Jahrestagung Kerntechnik`98, `00, `05, (Германия, Мюнхен, 1998 г., Бонн, 2000 г., Нюрнбенг, 2005 г.); на ежегодной конференции Европейской рабочей группы УГорячие лаборатории и дистанционное обслуживаниеФ (Норвегия, г. Халден, 20г.), на Научных сессиях НИЯУ МИФИ-2011 и 2012 (Москва, 2011, 2012 гг).
ичный вклад.
ично автором:
разработана исследовательская установка для проведения одномерного и двухмерного анализа облученных поглощающих материалов методом ВИМС с линейным разрешением 10 мкм на базе промышленного вторично-ионного массспектрометра МС7202М;
разработаны методики и новые способы одномерного и двухмерного анализа облученных поглощающих элементов на основе карбида бора;
получены экспериментальные данные об изменениях изотопного состава поглощающих элементов на основе карбида бора методом ВИМС, об их структуре методом растровой электронной микроскопии (РЭМ), обобщены результаты ВИМС и РЭМ исследований изотопного состава и микроструктуры облучённых поглощающих композиций.
С участием автора:
получены расчетные данные об изменениях относительной скорости захвата нейтронов изотопами 10B по реакции B10(n,) в нижней части стержней АЗ реактора БОР-60.
Достоверность результатов.
Представленные экспериментальные данные получены с применением аттестованных методик УОпределение изотопного состава бора в карбиде бора методом вторично-ионной масс-спектрометрииФ (МИ Рег. №669, Свидетельство №251-03 Реестра методик ФГУП ГНЦ РФ НИИАР) и УОпределение изотопного состава диспрозия в титанате диспрозия с использованием вторично-ионного массспектрометра МС-7202МФ (МИ Рег. №662, Свидетельство №262-04 Реестра методик ФГУП ГНЦ РФ НИИАР) на нескольких установках локального анализа поверхности и объёма твердых тел с проведением большого количества измерений с повторяемостью результатов.
Публикации.
Основное содержание работы
изложено в 4 статьях в российских журналах из списка ВАК, двух препринтах и 14 статьях в сборниках трудов, рефератов, докладов, аннотаций докладов и тезисов докладов российских и международных научных конференций и симпозиумов.
Объём и структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и библиографии. Диссертация изложена на 130 страницах, содержит 57 рисунков, 5 таблиц и список цитируемой литературы из 107 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, определены цели и задачи исследования, охарактеризованы научная новизна и практическая значимость, а также сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе приведён анализ литературы, посвящённый особенностям выгорания изотопа 10B в карбиде бора в составе органов регулирования реакторов с различным спектром нейтронов, а также современному состоянию экспериментальных методов исследования его выгорания.
Отмечается, что выгорание изотопа B - основной фактор, определяющий физическую эффективность и радиационную стойкость стержней СУЗ.
Для экспериментального исследования выгорания в настоящее время используются в основном методы, основанные на механическом прооботборе материала. Это практически исключает возможность изучения закономерностей изменения изотопного состава по сечению поглощающих элементов с микронным разрешением, что необходимо для уточнения расчётов их выгорания и оптимизации условий эксплуатации стержней СУЗ.
Для этого необходимо использование микрозондовых методов анализа, обладающих способностью регистрировать изотопный состав материалов (лазерная масс-спектрометрия, микрозондовый активационный анализ, вторично-ионная массспектрометрия (ВИМС) и др.) [4]. Эти методы исследования недостаточно распространены, что определило практически полное отсутствие данных по локальному выгоранию изотопа B в отечественных реакторах на тепловых и быстрых нейтронах.
Аналитические возможности метода ВИМС хорошо соответствуют задаче экспериментального определения изотопного состава поглощающих материалов на основе карбида бора [5], однако к моменту проведения настоящей работы этот метод в России в подобных исследованиях не использовался, методики линейного (одномерного) анализа для исследования поглощающих материалов, как и методики двухмерного анализа (которые, возможно, позволили бы сократить временные и экономические затраты на проведение подобных исследований) отсутствовали.
В то же время из литературных данных стали очевидны и определённые технические требования, предъявляемые к ВИМС-установке, используемой для проведения одномерного и двухмерного анализа облучённых поглощающих элементов. Наиболее важные из них: диаметр ионного зонда, повышенная чувствительность, наличие прецизионного узла перемещения образцов, наличие системы компенсации заряда, наличие совмещенной с ВИМС-установкой компьютеризированной системы сбора и обработки большого массива данных, наличие системы просмотра ионных изображений в режиме реального времени для уменьшения временных затрат при исследовании радиоактивных образцов, наличие условий для работы с источниками ионизирующих излучений. На момент проведения данной работы такая установка также отсутствовала.
Во второй главе представлены характеристики поглощающих композиций и методы их исследования.
В настоящее время основным способом регулирования реакторов является изменение коэффициента размножения нейтронов за счет изменения скорости их поглощения, что осуществляется с помощью органов регулирования и аварийной защиты (АЗ), компоненты которой являлись объектами исследования данной работы.
В процессе эксплуатации нижняя часть стержней АЗ обычно располагается на расстоянии 50Ч150 мм от верхнего края активной зоны. Карбид бора (B4C) является основным поглощающим материалом, используемым в стержнях АЗ российских энергетических реакторов на тепловых и быстрых нейтронах. Характеристики исследованных образцов B4C приведены в таблице.
Характеристики исследованных образцов B4C Облучённые фрагменты B4C стержней АЗ Реактор Структурное Исходная Обогащение Длительность Положение состояние плотность, по изотопу эксплуатации, от низа г/см3 / B, % эффективные стержня АЗ, диаметр, мм сутки мм ВВЭР-1000 порошок 1,7 / 8,2 19,8 1804 БН-600 таблетка 2,3 / 20 80,2 320 таблетка БН-600 2,4 / 20 80,2 480 (шлиф) таблетка БН-600 2,2 / 20 80,2 520 (скол) Необлучённые фрагменты эталонов Структурное Обогащение по Эталон состояние изотопу 10B, % сертифицированный (сертификат №1-98, таблетка 80,Института стабильных изотопов, г. Тбилиси) рефабрицированный таблетка 80,естественного состава порошок 19,Основная часть всех экспериментов в диссертационной работе выполнена методом ВИМС, который основан на регистрации масс-спектрометрическим методом вторичных ионов, образующихся в результате бомбардировки поверхности твердого тела пучком положительно или отрицательно заряженных первичных ионов.
При создании исследовательской установки для проведения одномерного и двухмерного анализа облучённых поглощающих материалов на базе вторичноионного масс-спектрометра МС7202М отдельные его узлы были разработаны и изготовлены заново или изменены. В функциональную блок-схему массспектрометра также были введены дополнительные устройства и электрические блоки (рис.1).
Рис.1. Функциональная блок-схема установки для проведения одномерного и двухмерного анализа облучённых поглощающих материалов, разработанная на базе вторично-ионного масс-спектрометра МС7202М. Заливкой отмечены изменённые и добавленные узлы и блоки. Зачёркнуты удалённые связи и блоки. СНВ, СТС, СНС, БП, Б - блоки питания. БО, БУИЛ, БУ - блоки управления. БК, БКЛ, КН - блоки контроля. ГВЧ, ГЦР - генераторы. ЭП - электронная пушка. Д - диафрагмы. ПК, АЦП, ЦАП - система автоматической записи и обработки сигналов. 1, 2, I, II, Iv, IIv, IIIv, С - отклоняющие системы и линзы оптики первичных и вторичных ионов. О - образец. З - дополнительная защита из свинцовых пластин. В - соединение выходных ниппелей форнасосов со спецвентиляцией.
Отличительными особенностями созданной установки являются: возможность проведения исследований с линейным разрешением 10 мкм; наличие узла механического перемещения образцов, который обеспечивает контролируемое позиционирование образцов в горизонтальной плоскости с точностью 1 мкм по оси Y и 2 мкм по оси X, с точностью позиционирования образца в вертикальной плоскости 20 мкм и контролируемым вращением держателя образцов с точностью 3; увеличенный примерно на один порядок предел обнаружения примесей за счет применения новой схемы электрического питания тракта вторичной ионной оптики;
возможность работы с облучёнными образцами с удельным электросопротивлением до 100 МОмсм; наличие системы визуализации изображения объектов в поглощённом ионном токе в режиме реального времени; наличие системы компьютерной записи и обработки ионных изображений.
Для увеличения достоверности и качества получаемых результатов при исследовании облученных поглощающих материалов совместно с одномерным и двухмерным анализом методом ВИМС в работе использовался метод РЭМ (растровые электронные микроскопы РЭМ-101 и Zeiss SUPRA 55VP с приставками для проведения химического и структурного анализа).
В третьей главе исследовались закономерности выгорания изотопа B в В4С стержней АЗ реактора ВВЭР-1000 (Калининская АЭС).
Исследования осуществлялись по разработанной и аттестованной методике одномерного анализа изотопного состава поглощающих материалов методом ВИМС.
Первичной информацией для определения соотношения изотопов в образцах в данной методике являются относительное значение фона в области масс-спектра и 10 относительная интенсивность масс-пиков изотопов В и В, сглаженных методом скользящего полинома (рис.2). Значение полинома третьей степени Pm в центральной точке множества из 2m+1 точек, полученное методом наименьших квадратов равно m ( 3m2 + 3m - 1 - 5k )y( i+k ) k =-m Pm =, m ( 3m2 + 3m - 1 - 5k ) k =-m где y(i) - значение функции в i-й точке.
Величина доверительного интервала относительной погрешности определения молярной доли изотопа 10B по данной методике при регистрации более 30 спектров, (подобных спектру на рис.2) при вероятности P=0,95 составляет 0,6%.
9 12 m/e Рис.2. Участок масс-спектра, содержащий масс-пики изотопов бора и углерода (сертифицированный эталон) (а); сглаженный и несглаженный масс-пик 11B (б).
Интенсивность, отн.ед.
Результаты исследований сердечника стрежня АЗ, полученные методами РЭМ и ВИМС (с использованием ионных пучков различных размеров), а также качественное распределение изотопов, входящих в состав сердечника, по его поверхности представлены на рис.3Ч6.
Рис.3. Общий вид поверхности Рис.4. Общий вид поверхности поглощающего сердечника с поглощающего сердечника после порошком карбида бора (штриховыми отжига (штриховыми линиями линиями показаны области показаны маршрут исследования и исследования изотопного состава с области, от которых были получены использованием ионного зонда ионные изображения).
большого диаметра).
Выгорание рассчитывали по известному соотношению Bвыг =100(1-Rобл/Rисх), %, где Rобл, Rисх - отношение атомных концентраций 10B и 11B с поправкой на эталон в облученном и исходном карбиде бора, соответственно.
Полученные зависимости свидетельствуют о том, что по сечению сердечника наблюдается высокая неравномерность выгорания (рис.5б,г). Выгорание достаточно хорошо аппроксимируется степенной функцией Ввыгор(r) = 20,7r-0,8, где r - расстояние от края сердечника, что соответствует литературным данным о распределении низкоэнергетичных (от 0,05 до 10 эВ) потоков нейтронов в таблетках карбида бора естественного состава. Среднее по сечению выгорание, оцененное как площадь под кривой на рис.5г, не превышает 25%. На рис.6 изображения в поглощённом ионном токе и в изотопах 10B, 11B, 12C, 7Li+ подобны друг другу. Это свидетельствует о том, что преобладающим контрастом в этих изображениях является топографический контраст, а не концентрационный.
в а 10 г б Ввыгор(r) = 20,7r-0,Расстояние от внутреннего края оболочки поглощающего элемента, мм Рис.5. Изменение атомной концентрации (а) и распределение выгорания (б) изотопа B по радиусу поглощающего сердечника (метод ВИМС, ионный зонд большого диаметра (1 мм)), изменение атомной концентрации (в) и усреднённое распределение выгорания (г) изотопа B (зонд диаметром 10 мкм). Штриховые линии ограничивают области всех измеренных значений содержания 10B.
Рис.6. Изображение фрагмента поглощающего сердечника и оболочки (в нижней части изображения) в поглощённом ионном токе Ip и во вторичных ионах 10B+, 11B+, C+, 7Li+. Каждое изображение состыковано из 5 площадок.
Содержание B, ат.%.
Выгорание B, %.
Для численной обработки подобных данных была разработана методика определения содержания изотопа B в облучённых поглощающих элементах с использованием двухмерных изображений, по которой среднее значение молярной доли изотопа 10B С10 на расстоянии rj от центра таблетки вычисляется по формуле B C10 rj)(%)=(Kij/(Kij+1))/n100%, B( где Kij = Kkorr (10Iij - фIij) /(11Iij - фIij) ; фIij - значение интенсивности фона в точке с I Х 11эт 10эт координатами ij; Kkorr= - коэффициент относительной чувствительности, I Х 10эт 11эт 10 где I10эт, I11эт - усредненные интенсивности масс-пиков B и B, измеренные на эталоне (по методике одномерного анализа) в относительных единицах за вычетом уровня фона; Х10эт, Х11эт - молярные доли 10B и 11B в эталоне (сертифицированном образце), n - число столбцов двухмерного изображения, используемых для вычислений.
Работоспособность подобной методики зависит, прежде всего, от величины максимальной относительной погрешности измерения усреднённого содержания 10B по матрице изотопных соотношений matrixMAX, а сама эта величина определяется, в первую очередь, свойствами исследуемой поверхности.
Для оценки этих свойств были введены параметры шероховатости и размерности поверхности (RqВИМС и DfВИМС соответственно), аналогичные используемым в атомно-силовой микроскопии. Расчёт параметра RqВИМС осуществлялся по формуле N N RqВИМС= - H )2, ( H( i, j ) N i j где N - количество точек изображения, участвующих в расчёте; H(i, j) - значение относительной интенсивности в точке вторично-ионного изображения с координатами (i, j); H - средняя интенсивность по всем точкам изображения. Для H соблюдения правил размерности использовался параметр RqВИМСотн=RqВИМС*100/, имеющий размерность %.
Параметр фрактальной размерности вычислялся методом вариаций. Согласно этому методу, для последовательности расширяющихся ячеек площадью 2n2n с центром в точке (i, j) вычисляется средняя по M2 точкам вариация максимальных и минимальных относительных интенсивностей:
max min Vn= ( Z - Z ), i, j i, j M i, j где M=N-2n, N - количество точек в строке сканирования. После этого строится N 3 N график зависимости величины ln VN от ln для n=1, 2,Еnmax. Тангенс угла n n наклона данного графика к оси абсцисс даёт величину фрактальной размерности DfВИМС.
В четвертой главе исследовались закономерности выгорания изотопа 10B в В4С стержней АЗ реактора БН-600 после их эксплуатации в течение 320Ч5эффективных суток. Полученные результаты представлены на рис.7-9.
а б в г е д Расстояние от внутреннего края оболочки поглощающего элемента, мм Рис.7. Радиальное распределение содержания B (а,в,д) и выгорания (б,г,е) в таблетках B4C, отработавших в составе стержней АЗ реактора БН-600 в течение 3эффективных суток (а,б), (цифрами и стрелками указаны зоны, соответствующие зонам на рис.8a), 480 эффективных суток (в,г), 520 эффективных суток (д,е).
Штриховые линии ограничивают области всех измеренных значений содержания B по нескольким маршрутам.
Выгорание B, %.
Содержание B, ат.%.
Выгорание B, %.
Содержание B, ат.%.
Выгорание B, %.
Содержание B, ат.%.
г Рис.8. Изображения фрагмента таблетки B4C (БН-600, 320 эффективных суток: а - нижняя часть фрагмента с кратерами травления (цифрами и стрелками указаны зоны, соответствующие зонам выгорания B на рис.7а,б); б - микроструктура внешней части фрагмента при большем увеличении; в - микроструктура в центре фрагмента; г - область ионного травления (кратер), соответствующая одной точке маршрутов на рис.8.
Первый участок фронта выгорания на рис.7б соответствует светлому участку в нижней части изображения на рис.8а. При больших увеличениях (рис.8б) наблюдается УтеррасаФ со значительным перепадом высот, образованная выкрошенными границами зерен. В центре исследуемого фрагмента (рис.8в) также наблюдаются ослабление границ зёрен, однако в меньшей степени. Это свидетельствует о том, что более высокое выгорание бора приводит к большему разрыхлению границ, выкрашиванию и микрорастрескиванию по сравнению с меньшим выгоранием в соответствующих локальных областях образца. Результаты двухмерного анализа облучённых таблеток при фрактальной размерности DfВИМС<2,25 при относительной шероховатости RqВИМСотн<50% в пределах погрешности измерений совпадают с результатами одномерного анализа (рис.9).
Полученные данные о выгорании изотопа B в поглощающих элементах стержней АЗ реактора БН-600 показывают, что оно неравномерно по сечению поглощающих сердечников.
Рис.9. Графическое представление матрицы содержания B (2D-анализ) на участке 0Ч1 мм на рис.7в (БН-600, 480 эффективных суток, RqВИМСотн - 26Ч31%, DfВИМС - 2,19Ч2,25, matrixMAX - 0,7Ч0,9%) При этом радиальные зависимости выгорания в облученных таблетках карбида бора, отработавших разное время в реакторе БН-600 в режиме АЗ и вырезанных из различных мест, имеют качественные отличия (рис.7).
В таблетках карбида бора, находившихся на расстоянии 30Ч50 мм от низа столба поглотителя, наблюдается эффект самоэкранирования (то есть повышенное выгорание внешних слоёв таблеток по сравнению с внутренними), что соответствует поведению карбида бора в спектре теплового реактора (рис.5). Этот эффект (впервые экспериментально обнаруженный в таблетках карбида бора, облучённых в реакторе БН-600), соответствует теоретическим представлениям о распределении потока нейтронов по сечению таблеток из карбида бора.
Относительно большая величина этого эффекта может быть объяснена смещением спектра нейтронного потока ближе к промежуточной области в верхней части (на периферии) активной зоны, что, как следует из данных о сечении реакции10В(n,)7Li в зависимости от энергии нейтронов, приводит к существенному увеличению вероятности захвата нейтронов изотопами B, вследствие многократного увеличения сечения данной реакции.
Зависимость выгорания в таблетке из нижней части столба поглотителя имеет более сложный вид (рис.7г). Одно из возможных объяснений этого результата заключается в том, что карбид бора содержит как поглощающие (10B), так и замедляющие (11B,12С) нейтроны изотопы.
Содержание B, ат.% В качестве дополнительных замедлителей нейтронов могут выступать и 3 нарабатывающиеся в процессе эксплуатации трансмутанты (7Li, H, He). Кроме того, в данном случае, определённую роль может играть и геометрический фактор (исследуемая таблетка находилась в непосредственном контакте с концевиком пэла).
Для объяснения полученной зависимости выгорания (рис.7г) совместно с Тихончевым М.Ю. были проведены расчеты возможного изменения скорости захвата нейтронов в различных секторах таблеток карбида бора.
Расчеты проводились методом Монте-Карло по коду MCU. Как известно, данный метод является прецизионным расчетным методом, основанным на прямом моделировании траектории нейтронов в гетерогенных средах. Расчёт траектории частицы (нейтрона) заключается в вычислении длины свободного пробега нейтрона, которая в бесконечно однородной среде является экспоненциально распределённой случайной величиной: p(l)=texp(-tl), где p(l) - плотность распределения случайной величины, равной пробегу нейтрона между двумя последовательными столкновениями в бесконечно однородной среде с полным сечением t, являющимся суммой сечений изотропного рассеяния s и поглощения a; l - длина пробега нейтрона без столкновений. Значения p(l), лежащие в интервале (0, ), получают с помощью случайных чисел, равномерно распределённых в интервале [0,1].
В расчетах использовалось многогрупповое транспортное приближение (для учета анизотропии рассеяния), в котором смесь изотопов описывается одним набором групповых макроскопических сечений = ii, где i - ядерная i концентрация i-го изотопа (1/см3); i - его микросечение.
Последовательность расчетов в выбранном коде такова: расчёт макроскопических сечений материалов, вычисление вероятности первых столкновений для регистрационных зон, определения источника нейтронов, решение транспортного уравнения (в общем случае определения косинуса угла рассеяния нейтрона), регистрация функционалов (характеристик) потока нейтронов.
Расчётную модель формировали в соответствии с геометрической схемой, представленной на рис.10. Граничные условия - полное поглощение, т.е. частицы, выходящие за границу расчетной области, уничтожаются. Возле нижней границы задан изотропный источник нейтронов, энергетический спектр которых совпадает с нейтронным спектром в ячейке Д-23 реактора БОР-60. Над источником задавалась модель поглощающего элемента, представляющая собой стержень из B4C.
Скорость реакции B10(n,) вычислялась в зоне регистрации в нижней части стержня карбида бора (высота зоны регистрации - 5 мм). Рассчитанные скорости реакций нормировались на одну реакцию в секунду по всей зоне регистрации (рис.11).
Рис.11. Распределения скорости реакции B10(n,) по радиусу поглотителя: 1 - расстояние от нижнего торца поглотителя до Рис.10. Схема для расчёта переноса источника нейтронов 20 мм, 2 - 50 мм, нейтронов методом Монте-Карло 3 Ц153 мм.
Погрешность в методе Монте-Карло носит статистический характер и уменьшается обратно пропорционально квадратному корню из числа испытаний N.
N В общем случае несмещённая оценка = х = xi математического ожидания =M N i=случайной величины с произвольной функцией распределения будет с N вероятностью 0,95 находиться в интервале х 2 / N, где 2= (xi - x)2 - N - i=несмещённая оценка дисперсии. Рассчитанная таким образом в программе величина доверительного интервала составила 0,01 реакцию в секунду.
Анализ зависимости на рис.11 показывает возможность образования зон с одинаковой скоростью захвата нейтронов, находящихся на различном удалении от края таблетки при облучении их в спектре быстрых нейтронов на периферии (сверху) активной зоны. Этот эффект может наблюдаться в различных зонах таблеток (так, зависимости 1 и 3 на рис.1 достаточно хорошо качественно согласуются с экспериментальной зависимостью на рис.7г - с небольшим смещением к центру таблетки максимум скорости реакции на рис.11 совпадает с максимумом выгорания на рис.7г).
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Разработана и внедрена исследовательская установка для проведения одномерного и двухмерного анализа облученных поглощающих элементов методом ВИМС с линейным разрешением 10 мкм на базе промышленного вторично-ионного масс-спектрометра МС7202М. Разработаны методики и способы одномерного и двухмерного анализа методом ВИМС и обосновано их применение при проведении послереакторных исследований выгорания изотопа 10B в облученных поглощающих материалах на основе карбида бора с микронным разрешением.
Разработанные методики и способы верифицированы по результатам измерений другими методами, сравнением с литературными данными и позволяют проводить исследования с разрешением равным диаметру ионного зонда в диапазоне 0,001Ч 90% с относительной погрешностью не хуже 0,6%, и при сравнимых погрешностях измерений на металлографических шлифах (с фрактальной размерностью DfВИМС<2,25 при относительной шероховатости RqВИМСотн<50% для ВИМС-установок типа МС7202М).
2. Установлено, что после облучения поглощающих элементов с карбидом бора с 10 естественным соотношением изотопов B и B в реакторе ВВЭР-1000 в течение 1804 эффективных суток в режиме аварийной защиты, максимальное выгорание изотопа 10B в поверхностном слое толщиной 0,1 мм составило 70% при среднем по сечению значении выгорания 25% и изменяется по радиусу таблетки по формуле Ввыгор(r) = 20,7r-0,8, где r - расстояние от края сердечника, мм.
3. После облучения поглощающих элементов с карбидом бора 80% обогащения по изотопу B в реакторе на быстрых нейтронах БН-600 в течение 320Ч5эффективных суток в режиме аварийной защиты максимальное выгорание в поверхностном слое не превышает 20%, а среднее по сечению значение выгорания - 5%.
4. Установлено, что в потоке быстрых нейтронов (En>1 МэВ) в нижней части столба поглотителя выгорание снижается на расстоянии 0Ч1 мм и увеличивается на расстоянии 1Ч2 мм от края поглощающего сердечника, с последующим плавным снижением вплоть до его центра. На расстоянии 30Ч50 мм от низа столба поглотителя выгорание плавно снижается на расстоянии 0Ч4 мм от края поглощающего сердечника и не изменяется далее, вплоть до центра образца.
5. Скачкообразное изменение скорости захвата быстрых нейтронов изотопами B по радиусу таблеток B4C в нижней части столба поглотителя, находящегося на периферии (сверху) активной зоны реактора, обусловлено микроскопическими изменениями нейтронного спектра в области поглощающих элементов, входящих в состав стержней АЗ, вызванными снижением энергии нейтронов со сдвигом их спектра в промежуточную и тепловую области при столкновении с лёгкими атомами B и 12C и нарабатываемыми атомами 7Li, 4He, 3H, а также рассеянием нейтронов на конструкционных элементах стержней АЗ.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Гончаренко Ю.Д., Евсеев Л.А. Применение методов РЭМ и ВИМС для изучения структуры и изотопного состава поглощающего элемента // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2000, №10. C. 47Ч51.
2. Гончаренко Ю.Д., Евсеев Л.А. Особенности исследования изотопного состава образцов с высоким поверхностным сопротивлением во вторично-ионной масс-спектрометрии // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. № 2, 2007, C.
90Ч94.
3. Гончаренко Ю.Д., Евсеев Л.А. Применение растровой электронной микроскопии, ожеэлектронной спектроскопии, вторично-ионной масс-спектрометрии для обнаружения и исследования структуры и элементного состава электроизоляционного покрытия. Известия РАН, серия физическая, т. 62, № 3, 1998. C. 495Ч502.
4. Гончаренко Ю.Д., Евсеев Л.А. Возможность регистрации отдельных элементов сложных кластеров во вторично-ионной масс-спектрометрии // Известия РАН, серия физическая, т. 68, № 9, 2004. С. 1351Ч1354.
5. Гончаренко Ю.Д., Евсеев Л.А. Применение методов поверхностного анализа для исследования элементного состава покрытий: Препринт НИИАР - 2(863) г. Димитровград, 1998. - 28 c.
6. Гончаренко Ю.Д., Евсеев Л.А. Применение вторично-ионной масс-спектрометрии для исследования поглощающих и топливных композиций: Препринт НИИАР - 4(863) г.
Димитровград, 1998. - 18 c.
7. Евсеев Л.А. Применение методов растровой электронной микроскопии (SEM), вторично-ионной масс-спектрометрии (SIMS) для исследования поглощающего сердечника с порошком карбида бора, облученного в реакторе Калининской АЭС // Сб.
рефератов и статей Новые технологии для энергетики, промышленности и строительства, г. Димитровград, 1998. C. 78Ч83.
8. Гончаренко Ю.Д., Евсеев Л.А. Применение растровой электронной микроскопии, ожеэлектронной спектроскопии, вторично-ионной масс-спектрометрии для обнаружения и исследования структуры и элементного состава электроизоляционного покрытия // В сб.
тезисов докладов X Российского симпозиума по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твёрдых тел (Черноголовка, июнь 1997 г.), Черноголовка, ИПТМ РАН, 1997 г., С. 59.
9. Гончаренко Ю.Д., Казаков В.А., Евсеев Л.А., Чакин В.А. Комплексное применение методов растровой электронной микроскопии, оже-спектроскопии и вторично-ионной масс-спектрометрии в практическом реакторном материаловедении // В сб. докладов Пятой межотраслевой конференции по реакторному материаловедению (Димитровград, 8Ч12 сентября 1997 г.), Димитровград, ГНЦ НИИАР, 1998. Т.2, ч.2. C.203Ч207.
10. Гончаренко Ю.Д., Евсеев Л.А. Применение методов РЭМ и ВИМС для изучения структуры и изотопного состава поглощающего элемента // В сб. тезисов докладов XVII Российской конференции по электронной микроскопии (Черноголовка, 15Ч18 июня 19г.), Черноголовка, ИПТМ РАН, 1998 г., С. 57.
11. Гончаренко Ю.Д., Евсеев Л.А. Применение вторично-ионной масс-спектрометрии в практическом реакторном материаловедении // В сб. рефератов 9-й ежегодной научнотехнической конференции ядерного общества России УРегиональная энергетика: ядерные и неядерные решенияФ (Ульяновск-Димитровград, 14Ч18 сентября 1998 г.), Димитровград, 1998 г., С. 225.
12. Goncharenko Yu., Kazakov V., Evseev L. and Chakin V. Complex Using of SEM, AES and SIMS Methods in Practical Reactor Material Science // Jahrestagung Kerntechnik, 1998, Mnchen, KTG u Deutsches Atomforum, Bonn, Tagungsbericht, INFORUM 1998, P.749Ч752.
13. Goncharenko Yu., Kazakov V., Evseev L. and Kobylansky G. Choice and Features of Methods for Surface Elementary Analysis of Irradiated Reactor Materials and Units // Jahrestagung Kerntechnik 2000, Bonn, KTG u Deutsches Atomforum, Bonn, Tagungsbericht, INFORUM 2000, P. 385Ч388.
14. Гончаренко Ю.Д., Евсеев Л.А. Возможность регистрации отдельных элементов сложных кластеров во вторично-ионной масс-спектрометрии // В сб. тезисов докладов XIII Российского симпозиума по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твёрдых тел (Черноголовка, 2Ч4 июня 2003 г.), Черноголовка, ИПТМ РАН, 2003 г., С. 69.
15. Yu. Goncharenko, L. Evseev, V. Risovany New possibilities in investigation of isotope distribution in irradiated absorbing materials using SIMS method // Paper on HOTLAB:
European Hot Laboratories Research Capabilities and Needs Plenary Meeting, Halden, Norway, September 6Ч8, 2004. P. 127Ч131.
16. Гончаренко Ю.Д., Евсеев Л.А., Рисованный В.Д. Исследование особенностей радиального выгорания 10B в поглощающем элементе реактора на быстрых нейтронах // В сб. трудов XVI Международного совещания УРадиационная физика твёрдого телаФ (Севастополь, 5Ч10 июля 2004 г.), под ред. заслуж. деят. науки РФ, д.ф-м.н. Бондаренко Г.
Г., М., НИИ ПМТ при МГИЭМ (ТУ), 2004 г., С. 86Ч90.
17. Гончаренко Ю.Д., Евсеев Л.А. Особенности исследования изотопного состава образцов с высоким поверхностным сопротивлением во вторично-ионной массспектрометрии // В сб. тезисов докладов XIV Российского симпозиума по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твёрдых тел (Черноголовка, 2Ч4 июня 2005 г.), Черноголовка, ИПТМ РАН, 2005 г. С. 169Ч170.
18. Yu.D. Goncharenko, L.A. Evseev. Application of SIMS and SEM methods to study CRUD materials // Jahrestagung Kerntechnik 2005, 10Ч12 Mai 2005, Nuremberg, DEUTSCHES ATOMFORUM e.V., P. 647Ч650.
19. Евсеев Л.А, Рисованый В.Д. Исследования микрообластей облученного карбида бора методами РЭМ и ВИМС // Научная сессия НИЯУ МИФИ-2011, Москва, 1Ч4 февраля 20г.: Аннот. докл. в 3-х томах. Т.1. Инновационные ядерные технологии. М.: НИЯУ МИФИ, 2010. - С. 144.
20. Евсеев Л.А, Рисованый В.Д. Исследования структуры и изотопного состава микрообластей карбида бора методами РЭМ и ВИМС // Научная сессия НИЯУ МИФИЧ 2012, Москва, 30 январяЧ3 февраля 2012 г.: Аннот. докл. в 3-х томах. Т.1. Инновационные ядерные технологии. М.: НИЯУ МИФИ, 2012. - С. 152.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Рисованый В. Д., Захаров А. В., Клочков Е. П., Гусева Т. М. Бор в ядерной технике. - г.
Димитровград: ФГУП УГНЦ РФ НИИАРФ, 2003. - 345 с.
2. Физическое материаловедение. Учебник для вузов: в 6 т. / под общей ред. Б. А. Калина.
Ц М.: МИФИ, 2008. - Т. 5. - 672 с.
3. ФЦП УЯдерные энерготехнологии нового поколения на период 2010Ч2015 годов и на перспективу до 2020 годаФ [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
4. Физическое материаловедение: Учебник для вузов: в 6 т. / Под общей ред. Б. А.
Калина. - М.: МИФИ, 2008. Т. 3. - 808 c.
5. Gebhardt O., Gavillet D. SIMS imaging analyses of in-reactor irradiated boron carbide control rod samples // Journal of Nuclear Materials, 2000. V. 279. P. 368Ч371.
Подписано в печать 04.09.2012 г.
Формат 60х84/1/8.
Печ. л. ~1. Печать офсетная.
Тираж 100 экз. Заказ № 9Отпечатано в Открытом акционерном обществе Государственный научный центр - Научно-исследовательский институт атомных реакторов 433510, г. Димитровград-10 Ульяновской области
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по разным специальностям