Ученые ОИЯИ (Дубна, Россия) вместе с коллегами из Института электроники Болгарской академии наук (София, Болгария) с помощью методов нейтронной дифракции выясняют, как способы восстановления образцов-свидетелей изменяют их свойства и микроструктуру. Исследования вносят важный вклад в программу образцов-свидетелей, которая обеспечивает проверку состояния корпуса реактора, подвергающегося нейтронному облучению, и позволяет оценить сроки безопасной работы ядерного реактора.

Безопасность корпуса реактора и образцы-свидетели

Атомная энергетика переживала взлеты и падения, от нее отказывались одни страны и брали на вооружение другие. Печальный опыт аварий выдвигает повышенные требования к безопасности ядерных реакторов. Во время работы корпус реактора, дорогая и сложная конструкция, подвергается нейтронному облучению и температурному воздействию, что приводит к износу корпусной стали. Ее физико-механические свойства ухудшаются, что проявляется, главным образом, в повышенной хрупкости. Но при длительной эксплуатации спрогнозировать радиационное охрупчивание корпуса ядерного реактора, который может состоять из различных материалов и содержать примеси, с необходимой достоверностью не удается.

 

Что происходит с металлом корпуса во время работы реактора, как меняются его свойства, как предупредить аварийное состояние и обеспечить проектные характеристики? Чтобы получить ответы на эти вопросы, во всех странах, где работают и строятся новые атомные электростанции, на всех ядерных корпусных реакторах запущены программы образцов-свидетелей. За изменениями в металле следят с помощью контрольных образцов, которые расположены у внутренней стенки шахты реактора и изготовлены из такого же металла. Сколько должно быть таких образцов, как часто надо их извлекать и проверять изменившиеся свойства, как обрабатывать данные? Все эти тонкости оговариваются в программе. Чтобы определить, насколько изменилась хрупкость металла после облучения, образцы подвергают механическому удару (по Шарпи). По результатам этих испытаний можно оценить и работоспособность корпуса реактора. Таким образом, штатная программа образцов-свидетелей предусматривает регулярную проверку сопротивления хрупкому разрушению и, соответственно, работоспособности реакторного корпуса, а также обеспечивает на весь период его работы необходимую поддержку.

В большинстве случаев после испытаний образцов-свидетелей и проверки радиационной нагрузки корпуса исследователи говорят о возможности дополнительной работы реактора, сверх установленных проектом сроков. В рамках программы необходимо продолжать проверку образцов-свидетелей, но большая их часть оказывается разрушенной во время предыдущих испытаний. Поэтому ученые вынуждены восстанавливать образцы, чтобы получать достоверные данные о состоянии металлического корпуса. Это делается с помощью различных видов сварки, электродуговой, электронно-лучевой, лазерной. Для чистоты эксперимента реконструкция не должна заметно влиять на механические свойства металла или менять его структуру. В реальности же любые сварочные работы приводят к структурным изменениям и к появлению остаточных напряжений в металле, которые могут менять эксплуатационные характеристики изделий. Действительно, при любой сварке для плавления металла используют локализованные источники энергии, а высокие значения температуры в месте сварки и большая разница температур с соседними областями приводят к возникновению деформаций и остаточных напряжений в образцах.

Чтобы можно было контролировать уровень этих остаточных напряжений, в Лаборатории нейтронной физики (Дубна, ОИЯИ) проводят эксперименты с образцами-свидетелями, восстановленными разными методами сварки – электро-лучевой, лазерной и электродуговой. С их помощью можно оценить вероятность образования трещин в сварных соединениях, определить, как распределение остаточных напряжений влияет на прочность конструкции после сварки, а также ответить на вопросы о допустимых размерах и отклонениях параметров.

Остаточные напряжения и деформации: преимущества нейтронного рассеяния

Для определения остаточных напряжений используют численные методы и прямые эксперименты, например, неразрушающие рентгеновские, магнитные и ультразвуковые исследования. Эти методы имеют определенные ограничения. Дифракция рентгеновских лучей из-за малой глубины проникновения информативна только вблизи поверхности образцов, а на результаты магнитного и ультразвукового методов значительно влияет текстура материала.

Рис. (a) Схема эксперимента по исследованию остаточных напряжений в массивном объекте. (b) Исследованные образцы (по Шарпи), восстановленные с помощью различных методов сварки.

«Исследование остаточных напряжений с помощью нейтронной дифракции имеет ряд преимуществ. Это большая глубина проникновения нейтронов, например, до 2-3 сантиметров для стали, высокое пространственное разрешение, применимость для многофазных материалов, неразрушающий характер метода, а также возможность выявить микроструктуру материалов и описать возникающие деформации, размеры когерентно рассеивающих кристаллитов, плотность дислокаций. Мы изучаем распределение остаточных напряжений и микродеформаций в необлученных и восстановленных образцах-свидетелях с помощью специализированного нейтронного фурье-стресс-дифрактометра (ФСД) на импульсном быстром реакторе ИБР-2», - рассказал руководитель исследования Гизо Бокучава, сотрудник Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ.

Уникальный дифрактометр был создан специально для исследования внутренних механических напряжений в объемных промышленных изделиях и новых материалах и обладает высоким уровнем разрешающей способности. Обработка результатов экспериментов, полученных на приборе, позволяет оценить важные микроструктурные параметры образцов, которые в значительной степени определяют их механические свойства: размер зерна, количество и тип дефектов, остаточные напряжения, наличие примесных фаз, кристаллографическое строение. Например, по смещению пиков дифракции у испытавшего нагрузку образца в сравнении с первоначальным образцом можно рассчитать остаточные напряжения. Исследование же формы дифракционных пиков и анизотропии их уширения дает сведения о размере зерен и искажениях в них кристаллической решетки, а также о плотности дислокаций.

«Обработка данных в экспериментах с необлученными образцами-свидетелями, восстановленными различными методами сварки, показала, что наименьший уровень остаточных напряжений наблюдается при электронно-лучевой сварке. Видимо, это обусловлено малым количеством подводимой теплоты при этом виде сварочных работ, в четыре-пять раз меньшим, чем, например, при дуговой сварке. Так как этот показатель сильно зависит от режимов сварки, мы можем подбирать оптимальные параметры процесса», - подчеркнул профессор Петр Петров, директор Института электроники БАН (София, Болгария).

В то же время обнаруженный при этом максимальный уровень микродеформаций свидетельствует о высокой плотности дислокаций в образце, она увеличивается на порядок в области сварных швов и в зоне температурного воздействия. Эксперименты позволили оценить изменение микроструктуры образца, а также вклад различных механизмов, которые повышают предел текучести металла в месте сварки. Как и предполагалось, уровень остаточных напряжений резко спадает при удалении от зоны сварного шва. Механические свойства основного металла и сварного шва существенно различаются, что может повлиять на результаты штатных испытаний (по Шарпи), проводимых по программе образцов-свидетелей, подытожил Бокучава.

В планах авторов работы* - дальнейшие исследования образцов-свидетелей на нейтронном дифрактометре высокого разрешения, которые позволят более полно представить картину и понять природу влияния остаточных напряжений и локальных изменений микроструктурных параметров на результаты тестирования образцов. Эти знания помогут оптимизировать технологию восстановления образцов, внести необходимые поправки при интерпретации результатов испытаний и в перспективе повысить качество корпуса реактора, увеличить его ресурс и обеспечить полную безопасность.

* Bokuchava, G.; Petrov, P. Study of Residual Stresses and Microstructural Changes in Charpy Test Specimens Reconstituted by Various Welding Techniques. Metals 2020, 10, 632. https://doi.org/10.3390/met10050632

Ольга Баклицкая-Каменева