Генерации дислокаций

Как известно, развиваемое в настоящее время направление по созданию реакторов-размножителей на быстрых нейтронах с натриевым охлаждением и окисным уран-плутониевым^ топливом в стержневых твэлах с покрытием из нержавеющей стали не может обеспечить необходимое время удвоения делящегося материала ~5—6 лет. Причина этого — поглощение нейтронов натриевым теплоносителем и стальным покрытием, смягчение спектра нейтронов кислородом в окисном топливе. При применении гелиевого теплоносителя отпадает необходимость использования стали в качестве защитных покрытий и появляется возможность применения керамического монокарбидного ядер-

В случае использования прессованных шаровых твэлов в реакторе ВГР уменьшается температурный уровень ядерного топлива при сохранении неизменными энергонапряженности л параметров гелиевого теплоносителя. Это преимущество использовано при проектировании реактора THTR-300. Поскольку в прессованных твэлах оболочки тонкие и микротопливо диспергировано почти во всем объеме твэла, то это позволило увеличить тепловую мощность шарового твэла диаметром 60 мм более чем вдвое по сравнению с тепловой мощностью твэла реактора AVR, а температуру топлива снизить с 1250 до 1050° С. Использование прессованных твэлов в реакторе AVR позволило поднять температуру гелия на выходе из реактора с 850 до 550° С, а максимальную температуру топлива снизить на 100° С [16].

Химическая инертность гелия и возможность высокой степени его очистки от примесей в контуре опытных реакторов ВГР позволяют использовать в качестве оболочек твэлов не только нержавеющие стали, но и ванадий, пироуглерод, карбид кремния и другие керамические материалы [21]. По-видимому,, одно из основных преимуществ применения гелия — это возможность использовать в качестве топлива карбиды урана и плутония, что сулит существенное увеличение коэффициента воспроизводства по сравнению с окисным топливом. Нулевая активация гелия, отсутствие существенного замедления им быстрых нейтронов при прохождении через активную зону реактора БГР, а также успешное решение задачи удержания продуктов-деления в микротвэлах с керамическими защитными слоями при больших значениях глубины выгорания и возможность непосредственного охлаждения микротвэлов газовым теплоносителем — все эти положительные факторы позволяют реактору БГР конкурировать с реактором-размножителем БН. Основной недостаток гелиевого теплоносителя по сравнению с натриевым — трудности отвода тепла остаточного тепловыделения в аварийных ситуациях при потере герметичности основным

В ФРГ под руководством профессора Фёрстера в Центре ядерных исследований в Юлихе в 1970 г. была выполнена работа по определению перспектив развития реакторов-размножителей БГР. Были рассмотрены варианты с окисным и карбидным топливом, со стержневыми твэлами с удержанием продуктов деления и вентилируемыми, микротвэлами и определены параметры гелиевого теплоносителя в случае двухконтур-ной и одноконтурной схем [23] (табл. 1.8).

Эксергетический анализ данного процесса показал, что при температуре гелиевого теплоносителя 2083 К суммарный эксергетический КПД процесса Лэкс = 0,757, при температуре 1473 К гэкс = 0,823, а при 1223 К л экс = 0,863; эти значения более чем в 1,5 раза пре-

В настоящее время в СССР, США, ФРГ, Франции, Англии, Швейцарии проводятся экспериментальные работы по технологии Не и освоению требуемых для газовых бридеров параметров гелиевого теплоносителя [1.22, 1.231.

Таким образом, температуры гелиевого теплоносителя в ПТО ВТГР могут составлять по первому контуру на входе до 950, на выходе 700—750 °С, по промежуточному контуру на выходе до

Твэлы ВТГР представляют собой графитовую матрицу, в которой диспергированы микротвэлы. Применение микротвэлов позволяет обеспечить малую удельную активность первого контура при глубоком выгорании ядерного топлива и высоких температурах топлива и теплоносителя. Невозможность расплавления керамического топлива в виде микротвэлов, отрицательный мощностный и температурный коэффициенты реактивности, невозможность образования вторичной критической массы, самопроизвольное прекращение цепной реакции деления при «тяжелой» аварии с полной потерей гелиевого теплоносителя делают ВТГР наиболее безопасными из всех энергоблоков с ядерными реакторами других типов.

На начальном этапе развития ВТГР (американский проект реактора «Форт-Сент-Врейн») его активную зону собирали из графитовых блоков шестигранной формы размером под ключ 360 мм и высотой до 800 мм. Блоки были пронизаны цилиндрическими каналами, в которых размещались топливные компакты наружным диаметром 12,5 мм и высотой 50 мм, и цилиндрические каналы для прохода гелиевого теплоносителя (диаметром 18 мм). Применяли интегральную компоновку парогенераторов и газодувок в корпусе из ПНЖБ. Конструкции реактора и графитового блока представлены соответственно на рис. 2.20 и 2.21.

Использование шаровых твэлов (рис. 2:23) дает возможность достаточно просто организовать их непрерывную загрузку-выгрузку при работе реактора на номинальной мощности без ощутимых потерь гелиевого теплоносителя, позволяет увеличить глубину выгорания топлива и повысить коэффициент нагрузки реактора [6].

Применение в активной зоне уран-графитовых твэлов и гелиевого теплоносителя уменьшает паразитный захват нейтронов и позволяет достигать высоких значений коэффициента воспроизводства топлива (KB = 0,6—0,8).

больших пластических деформаций. Отсюда следует, что при деформации происходит размножение дислокаций. Источниками генерации дислокаций являются источник Франка-Рида, границы зерен, двойников, дисперсных частиц второй фазы и др.

во-вторых, слабое деформационное упрочнение на стадии пластического течения образцов. Анализ свидетельствует, что природа этого эффекта может быть связана с активизацией процессов возврата на границах зерен при деформации наноструктурных металлических материалов. Ускоренная диффузия, которая приводит к активизации процессов возврата на границах зерен, может быть ответственной за наблюдаемое отсутствие заметного упрочнения на стадии пластического течения при деформации наноструктурных металлов. С другой стороны, высокое значение предела текучести очевидно обусловлено трудностью генерации дислокаций на неравновесных границах зерен наноструктурных металлах. С этой точки зрения обнаруженное влияние кратковременного отжига при 473 К на резкое уменьшение предела текучести и появление деформационного упрочнения в наноструктурной Си можно прямо связать с облегчением зарождения дислокаций и уменьшением скорости возврата на границах зерен с более равновесной структурой.

X. Уетп и К- Зоммер (Штуттгардский университет, ФРГ), определяли температуры в локальных контактах при трении скольжения сталей при нагрузках 78.—225 Н и скорости скольжения 0,4— 3 м/с в разных условиях (на воздухе, в вакууме, в средах NJ и Аг) [78]. Результаты показали, что между двумя поверхностями контакт осуществлялся на очень малых площадях, что приводило к их высокой нагрузке и пластической деформации металла вследствие генерации дислокаций. При повторяющейся деформации энергия накапливалась. Локальные высокие температуры возникали в течение очень коротких промежутков времени (порядка миллисекунды и менее). Контактирующие участки быстро нагревались и быстро охлаждались; температура этих участков может превышать точку температурного превращения в стали. Средняя температура поверхности при этом оставалась относительно низкой. При очень высоких температурах наблюдались явления плавления.

Эти изменения способствуют более легкому процессу зерногра-ничного разрушения. Предполагается, что формирование структурных нарушений границ связано с усиленной облучением зарногра-ничной сегрегацией вредных примесных атомов (свинец, висмут, мышьяк, сера, фосфор и др.), диффундирующих по вакансионному механизму и ослабляющих границы зерен без облучения. Такие сегрегации в облученных материалах приводят к уширению физической толщины границы, появлению в области границы источников генерации дислокаций и повышению общей зерногранич-ной энергии. В облученных образцах образование зерногранич-ной трещины будет происходить при меньших напряжениях, т. е. границы зерен (включая приграничную зону) становятся менее

При переходе от зоны к частице вследствие образования межфазной поверхности раздела частица — матрица появляется возможность релаксации локального фазового наклепа вследствие генерации дислокаций или возникновения вакансионных потоков в матрице, приводящих к компенсации разницы удельных атомных объемов.

Действительно, если принять, что длина порога на эпитак-сиальной дислокации равна половине радиуса частицы, то для генерации дислокаций в плоскости (НО), в которой вектор Бюргерса для молибдена равен 2,72 А, согласно формуле (3.7), потребуются следующие напряжения: при диаметре частицы 200 А ткр— G/18, а при размере частицы 400 A = G/37 [92].

Из этого следует, что в результате генерации дислокаций в группировке стартовое напряжение источников, релаксирующих локальный фазовый наклеп, дополнительно возрастает. Таким

где Xj = х, у, z — координаты; и — скорость дислокаций; п0 — объемная плотность источников дислокаций типа Франка-Рида; 8т — коэффициент размножения дислокаций механизмом двойного поперечного скольжения на дислокационных препятствиях; 5/от — коэффициент иммобилизации дислокаций в краевых диполях; 80 — коэффициент аннигиляции винтовых участков дислокационных петель механизмом поперечного скольжения; /, — дислокационные потоки, зависящие от характера движения дислокаций в направлениях вдоль (Jx, J2) и поперек (Уу) плоскостей скольжения. На первой стадии деформации кристаллов аннигиляция винтовых дислокаций развита слабо. Поэтому уравнение (119) представляет собой уравнение баланса трех дислокационных процессов: генерации дислокаций из источников Франка-Рида (п0); иммобилизации дислокаций в краевых диполях; восходящей диффузии дислокаций, обусловленной двойным поперечным скольжением винтовых дислокаций.

Одним из наиболее эффективных оказался метод создания нарушенных слоев путем механической обработки с последующим отжигом пластин при сравнительно невысоких температурах. В этом методе в результате шлифовки свободным абразивом в приповерхностной области пластины формируются регулярные микротрещины. Устья этих трещин являются областями концентрации упругих напряжений. В процессе последующего отжига пластин в атмосфере аргона при 750 °С в устьях трещин формируются дислокационные скопления, являющиеся результатом релаксации упругих напряжений и состоящие в основном из скользящих 60-градусных дислокаций. Одновременно в процессе отжига в местах генерации дислокаций происходит достаточно интенсивный локальный распад пересыщенного твердого раствора кислорода (содержание кислорода в образцах составляло (7...9) • 1017 см~3) с образованием преципитатов двуокиси кремния и эмиссией ими межузельных атомов кремния в кристаллическую матрицу. Сток инжектируемых растущими преципитатами межузельных атомов на дислокации приводит к переползанию последних и формированию в приповерхностной области пластины характерных малоподвижных дислокационных сеток, являющихся эффективным геттером для загрязняющих быстродиффундирую-щих металлических примесей.

[и в непосредственной близости от границы раздела. Чтобы исклю-ть это крайне нежелательное явление, геометрия соединяемых плас-н должна удовлетворять самым высоким требованиям. Особенно асны в этом отношении локальные нарушения плоскостности, при-дящие не только к возникновению в этих областях скоплений струк-рных дефектов, но и являющиеся одной из причин возникновения на (верхности раздела пластин локальных нарушений сплошности соединяя, так называемых «пузырей». Достигнутый к настоящему времени овень качества бездислокационных пластин кремния большого диамет-обеспечивает создание высококачественных многослойных приборных руктур методом прямого соединения. Тем не менее, с целью полного ;ключения возможности генерации дислокаций в создаваемых прямым единением многослойных структурах из-за возможных геометрических [рушений в исходных пластинах, целесообразно снижать температуру юцесса на стадии отжига создаваемой композиции. Проведенные за >следние годы исследования показывают, что достаточно прочное со-инение пластин кремния удается обеспечивать уже при температурах жига 200...400 °С.

Принципиально важно исключить возможность генерации дислокаций в области границы раздела соединяемых пластин. Как мы уже отмечали выше, одним из основных источников дислокаций в формируемой композиции является релаксация в процессе высокотемпературного отжига упругих напряжений, обусловленных нарушениями общей и локальной плоскостности исходных пластин. В данном случае гарантом получения структурно совершенных композиций является использование пластин с высокими геометрическими показателями их качества. При современном уровне развития технологии изготовления кремниевых пластин выполнение этого условия затруднений не вызывает.