1. Кристаллические и аморфные тела. Поликристаллы. Классификация кристаллов по типам сил связи.

По своим физическим свойствам и молекулярной структуре твердые тела разделяются на два класса – аморфные и кристаллические.

Аморфные тела — конденсированное состояние вещества, атомная структура которых имеет ближний порядок и не имеет дальнего порядка, характерного для кристаллических структур. Для аморфных тел характерна изотропия свойств и отсутствие определённой точки плавления: при повышении температуры аморфные тела постепенно размягчаются и выше температуры стеклования (Tg) переходят в жидкое состояние. Характерной особенностью аморфных тел является их изотропность, т. е. независимость всех физических свойств (механических, оптических и т. д.) от направления внешнего воздействия. Молекулы и атомы в изотропных твердых телах располагаются хаотично, образуя лишь небольшие локальные группы, содержащие несколько частиц (ближний порядок). По своей структуре аморфные тела очень близки к жидкостям . Примерами аморфных тел могут служить стекло, различные затвердевшие смолы (янтарь), пластики и т. д. Если аморфное тело нагревать, то оно постепенно размягчается, и переход в жидкое состояние занимает значительный интервал температур.

Вкристаллических телах частицы располагаются в строгом порядке, образуя пространственные периодически повторяющиеся структуры во всем объеме тела. Для наглядного представления таких структур используются пространственные кристаллические решетки, в узлах которых располагаются центры атомов или молекул данного вещества. Чаще всего кристаллическая решетка строится из ионов (положительно и отрицательно заряженных) атомов, которые входят в состав молекулы данного вещества. Например, решетка поваренной соли содержит ионы Na⁺ и Cl^–, не объединенные попарно в молекулы NaCl (рис. 3.6.1). Такие кристаллы называются ионными.

Рисунок 3.6.1.

Кристаллическая решетка поваренной соли

В каждой пространственной решетке можно выделить структурный элемент минимального размера, который называется элементарной ячейкой. Вся кристаллическая решетка может быть построена путем параллельного переноса (трансляции) элементарной ячейки по некоторым направлениям.

Теоретически доказано, что всего может существовать 230 различных пространственных кристаллических структур. Большинство из них (но не все) обнаружены в природе или созданы искусственно.

Кристаллические решетки металлов часто имеют форму шестигранной призмы (цинк, магний), гранецентрированного куба (медь, золото) или объемно центрированного куба (железо).

Кристаллические тела могут быть монокристаллами и поликристаллами. Поликристаллические тела состоят из многих сросшихся между собой хаотически ориентированных маленьких кристалликов, которые называются кристаллитами. Большие монокристаллы редко встречаются в природе и технике. Чаще всего кристаллические твердые тела, в том числе и те, которые получаются искусственно, являются поликристаллами.

В отличие от монокристаллов, поликристаллические тела изотропны, т. е. их свойства одинаковы во всех направлениях. Поликристаллическое строение твердого тела можно обнаружить с помощью микроскопа, а иногда оно видно и невооруженным глазом (чугун).

Многие вещества могут существовать в нескольких кристаллических модификациях (фазах), отличающихся физическими свойствами. Это явление называется полиморфизмом. Переход из одной модификации в другую называется полиморфным переходом. Интересным и важным примером полиморфного перехода является превращение графита в алмаз. Этот переход при производстве искусственных алмазов осуществляется при давлениях 60–100 тысяч атмосфер и температурах 1500–2000 К.

Структуры кристаллических решеток экспериментально изучаются с помощью дифракции рентгеновского излучения на монокристаллах или поликристаллических образцах.

На рис. 3.6.2 приведены примеры простых кристаллических решеток. Следует помнить, что частицы в кристаллах плотно упакованы, так что расстояние между их центрами приблизительно равно размеру частиц. В изображении кристаллических решеток указывается только положение центров частиц.

Рисунок 3.6.2. Простые кристаллические решетки: 1 – простая кубическая решетка; 2 – гранецентрированная кубическая решетка; 3 – объемноцентрированная кубическая решетка; 4 – гексагональная решетка

В простой кубической решетке частицы располагаются в вершинах куба. В гранецентрированной решетке частицы располагаются не только в вершинах куба, но и в центрах каждой его грани. Изображенная на рис. 3.6.1 решетка поваренной соли состоит из двух вложенных друг в друга гранецентрированных решеток, состоящих из Na⁺ и Cl^–. В объемноцентрированной кубической решетке дополнительная частица располагается в центре каждой элементарной кубической ячейки.

Кристаллические структуры металлов имеют важную особенность. Положительно заряженные ионы металла, образующие кристаллическую решетку, удерживаются вблизи положений равновесия силами взаимодействия с«газом свободных электронов» (рис. 3.6.3). Электронный газ образуется за счет одного или нескольких электронов, отданных каждым атомом. Свободные электроны способны блуждать по всему объему кристалла.

Классификация кристаллов по типам сил связи

1.ионная. Составляющая кристаллической решетки – ионы с противоположными зарядами, взаимодействуют через электростатические силы притяжения и электростатические силы отталкивания, а также квантовые силы, препятствующие сближению ионов с противоположным по знаку зарядами. Ионы соединения, как правило имеют повышенную температуру плавления, отсутствие ковкости и расслаивания (NaCl)

2.ковалентная связь. Нейтральные атомы в результате превращения электронной оболочки в общий для обоих партнеров (алмаз, AlN, AlP)

3. металлическая. Металлическая структура может быть представлена как ионная решетка, распределение в газе из квази-свободных электронов. Связь между ионами и свободными дает правильное размещение ионов виде кристаллической решетки, а подвижность электронов дает металлу тепло и электропроводность

4. межмолекулярная или Вандер – осуществляется нейтральными молекулами, сила притяжения и отталкивания так же имеет электромагнитную и квантувую природу сил.

2. Дефекты кристаллической структуры и их влияние на свойства кристаллов.

Кристаллическая решетка металлов и сплавов характеризуется правильным чередованием в пространстве атомов металла. Атомы в положении равновесия в узле кристаллической решетки имеет минимальную энергию. Дефект кристаллической решетки - отклонение кристаллической решетки от ее идеального периодического строения. Дефекты оказывают существенное влияние на физические свойства кристаллов.

Дефекты в кристаллах - нарушения периодичности кристаллической структуры в реальных монокристаллах. В идеализированных структурах кристаллов атомы занимают строго определённые положения, образуя правильные трёхмерные решётки (кристаллические решётки). В реальных кристаллах (природных и искусственно выращенных) наблюдаются обычно различные отступления от правильного расположения атомов или ионов (или их групп). Такие нарушения могут быть либо атомарного масштаба, либо макроскопических размеров, заметные даже невооружённым глазом. Помимо статических дефектов, существуют отклонения от идеальной решётки другого рода, связанные с тепловыми колебаниями частиц, составляющих решётку.

Д. в к. образуются в процессе их роста, под влиянием тепловых, механических и электрических воздействий, а также при облучении нейтронами, электронами, рентгеновскими лучами, ультрафиолетовым излучением (радиационные дефекты) и т.п.

Различают:

– точечные дефекты:

• вакансии - свободный, незанятый атомом, узел кристаллической решетки.

• межузельный атом — атом основного металла, находящийся в междоузельном положении элементарной ячейки. По типу ближайшего окружения может также варьироваться (4 атома, 6 атомов).

• примесный атом замещения — замена атома одного типа, атомом другого типа в узле кристаллической решетки.

• примесный атом внедрения — атом примеси (обычно неметалл, например, углерод) располагается в междоузлии кристаллической решетки.

–линейные дефекты :

• дислокации – дефект кристаллического строения, представляющий собой линию, вдоль которой нарушено кристаллическое строение (правильное расположение атомов) и плоскостей (дислокация — граница области незавершенного сдвига в кристалле.):

-краевая – линейная, вдоль которой обрывается внутри кристалла край “лишней” полуплоскости;

Образование краевой дислокации можно представить как результат удаления из кристалла одной кристаллической полуплоскости. Линия, отделяющая дефектную область кристалла от бездефектной, называется линией дислокации. Простейшая наглядная модель краевой дислокации — книга, у которой от одной из внутренних страниц оторвана часть. Тогда, если страницы книги уподобить атомным плоскостям, то край оторванной части страницы моделирует линию дислокации.

Схематическое изображение краевой дислокации

Схематическое изображение винтовой дислокации

-винтовая – получена при помощи частичного сдвига по плоскости Q вокруг лини ЕF)

Лини дислокации не могут обрываться внутри кристалла они должны быть либо замкнутыми, либо разветвляться на несколько дислокаций, либо выходить на поверхность кристалла. Дислокационная структура характеризуется плотностью дислокации (- суммарная длина всех линий дислокаций в единице объема) ρ = Σl /V , [см^-2, м^-2] Плотность дислокации в значительной мере определяет прочность материала. Минимальная прочность (ρ_к) определяется критической плотностью дислокации 10⁵, 10⁷ м^-2. Если плотность меньше чем критическое значение, то прочность стремиться к теоретическому значению. Повышение прочности достигается путем создания металла с бездефектной структурой, а так же путем увеличения плотности дислокации. “Усы” – нитевидные бездефектные кристаллы (d = 0,5-50 мкм, L = 2мм) их прочность близка к теоретической.

При упрочнении металлов увеличением плотности дислокации (10¹⁵ – 10¹⁶ м ^-2) - дислокация не должна превышать, иначе образуются трещины.

– поверхностные дефекты – границы зерен, фрагментов и блоков. (размеры до 1000мкм)

Различают несколько разновидностей дефектов по размерности:

– нульмерные дефекты – (точечным дефектам) относят все дефекты, которые связаны со смещением или заменой небольшой группы атомов. Возникают при нагреве, в процессе роста кристалла и в результате радиационного облучения. Могут вноситься также в результате имплантации. Наиболее изучены, включая движение, взаимодействие, аннигиляцию, испарение.

– одномерные - (линейные) дефекты представляют собой дефекты кристалла, размер которых по одному направлению много больше параметра решетки, а по двум другим — соизмерим с ним. К линейным дефектам относят дислокации и дисклинации. Дисклинация — граница области незавершенного поворота в кристалле. Характеризуется вектором поворота. Дислокация — граница области незавершенного сдвига в кристалле

– двумерные - Основной дефект-представитель этого класса — поверхность кристалла. Другие случаи — границы зёрен материала, в том числе малоугловые границы (представляют собой ассоциации дислокаций), плоскости двойникование, поверхности раздела фаз и др.

– трёхмерные - Как правило, это поры или включения примесных фаз. Представляют собой конгломерат из многих дефектов. Происхождение — нарушение режимов роста кристалла, грязные образцы.

Методы избавления от дефектов: Основной метод, который помогает избавляться от дефектов в кристалле — метод зонной плавки. Этот метод хорошо применим для кремния. Плавят малую часть кристалла, чтобы впоследствии перекристаллизовать расплав. Используют также просто отжиг. Дефекты при повышенной температуре обладают высоким коэффициентом диффузии. Вакансии могут выходить на поверхность и, поэтому говорят об испарении дефектов.

Полезные дефекты : При пластической деформации металлов (например, ковке, прокатке), генерируются многочисленные дислокации, по-разному ориентированные в пространстве, что затрудняет разрушение кристалла по сетке дислокаций. Таким образом увеличивается прочность металла, но в то же время снижается пластичность.

В искусственно выращенных рубинах, сапфирах для лазеров добавляют примеси (Cr, Fe, Ti) элементов — окрашивающие центры, которые участвуют в генерации когерентного света.

3. Радиационно-стимулированные дефекты кристаллической решетки.

Материалы активной зоны реакторов подвергаются мощному воздействию различных видов излучений : быстрые нейтроны; осколки деления; гамма – кванты. Наибольшее влияние воздействия оказывают – быстрые нейтроны и заряженные частицы, испускаемые осколками деления.

По механизму образования терморадиационные дефекты различают:

• Ионизация и возбуждение атомов – при взаимодействии с гамма–квантами, нейтронами и ионами.

Взаимодействие нейтронов с материалом происходит в результате прямых столкновений с ядрами, нейтрон передает ядру энергию, выбивая из регулярного положения в кристаллической решетки , возникают та называемые ядра отдачи, энергия которых может значительно превышать энергию связи атомов в кристаллической решетке. Энергия, которая может быть передана ядру : E_max=4*m*M*E_n/(m+M), где М – масса ядра мишени,E_n– энергия нейтрона,m– масса налетающей частицы. Ядра, отдачи получив энергию, смещаются из положения равновесия и могут сместить соседние атомы. Это продолжается до тех пор пока энергия частицы не уменьшиться до порогового значения и не станет меньше энергии связи атомов в кристаллической решетке.

Осколки деления оказывают наиболее разрушительное действие, чем нейтроны. Осколки деления, а тогда и ядра отдачи имея высокую энергию, образуют в веществе целые области с нарушенной структурой, такие области называются – пики смещения и тепловой пик.

• Выбивание атомов из узлов кристаллической решетки, т.е при большой энергии образуются каскады выбитых атомов – каскады смещения.

Пик смещения – область торможения быстрой, тяжелой частицей, окружающей вещество, разогревающейся до жидкого состояния. Кристаллическая решетка восстанавливается, но атомы занимают новые положения.

• Пики смещения

Тепловой пик – область торможения быстрой, тепловой частицей, но энергии не хватает для расплавления, а происходит местная термообработка, чаще это фазовый переход.

В случае ядерного топлива пики смещения и тепловой пик называются – пики деления, т.к. пробеги частицы не велики они будут тормозить при делении.

Классификация радиационных дефектов по внешним проявлениям:

• Радиационное распухание – изменение объема облучаемого тела за счет образования внутренних полостей

• Газовое распухание – увеличение объема тела, в следствии изменения плотности, т.к. большинство продуктов деления газы

• радиационная ползучесть – изменение формы без изменения объема под действием приложенного напряжения, которое в отсутствии облучения не вызывает ползучести.

• радиационный рост – изменение размеров без изменения объема за счет одностороннего роста кристаллических плоскостей (анизотропные вещества)

• радиационное охрупчивание – радиационное упрочнение материала с потерей пластичности.

4. Влияние облучения на механические, теплофизические и химические свойства материалов.

В целом облучение оказывает существенное действие на материалы, ухудшает его прочностные свойства (происходит радиационное охрупчивание), изменяются теплофизические свойства, активизируется коррозия (вследствие эффекта ионизации). В ядерном топливе облучение вызывает, в свою очередь, целый ряд специфических эффектов. (радиационная ползучесть, радиационный рост и т.д.).

Дефекты, возникающие под действием облучения, не сохраняются в течение времени, а могут видоизменяться, а также взаимодействовать друг с другом. Так, во время облучения устанавливается динамическое равновесие между возникновением и исчезновением дефектов. В этом процессе большое значение имеет температура. Хорошо известен процесс отжига дефектов и восстановления первоначальной структуры вещества. Этим эффектом пользуются, нагревая вещество до температуры, превышающей ту, при которой происходит облучение (t_наг>t_обл).

Кроме того, в облучаемом материале может происходить аннигиляция дефектов, которая протекает при взаимодействии вакансий и смещенных атомов. Такому явлению способствует как диффузия дефектов, так и сам процесс облучения.

Отметим, однако, что 100% восстановления свойств облучаемого материала добиться невозможно и дефекты по мере увеличения времени облучения накапливаются.

5. Основные виды ядерного топлива и требования к нему.

Ядерное топливо — вещество, которое используется в ядерных реакторах для осуществления цепной ядерной реакции деления.

Ядерное топливо делится на два вида:

• Природное урановое, содержащее делящиеся ядра ²³⁵U, а также сырьё ²³⁸U, способное при захвате нейтрона образовывать плутоний ²³⁹Pu;

• Вторичное топливо, которое не встречается в природе, в том числе ²³⁹Pu, получаемый из топлива первого вида, а также изотопы ²³³U, образующиеся при захвате нейтронов ядрами тория ²³²Th.

По химическому составу, ядерное топливо может быть:

• Металлическим, включаясплавы;

• Оксидным(например,UO₂);

• Карбидным (например, PuC_1-x)

• Нитридным

• Смешанным (PuO₂ + UO₂)

По типу распространения ядерного топлива в активной зоне:

• Гомогенные реакторы – ядерное топливо распространяется в активной зоне в виде смеси с замедлителем и теплоносителем.

• Гетерогенные – ядерное топливо распространяется локально, образуя в поперечном сечении правильную решетку.

Ядерное топливо должно обеспечивать:

- высокое тепловыделение, - высокую степень выгорания, - должно быть радиационно стойким, - в нем не должно быть примесей.

Требования к ядерному топливу:

1. Механическая прочность, в том числе и к ползучести – при нагрузке под действием облучения изменения формы.

2. Хороший теплоотвод – максимальный коэффициент теплопроводности

3. Частота материала

4. Высокое энерговыделение

5. Глубина выгорания

6. Радиационная стойкость

6. Глубина выгорания топлива и способы ее оптимизации.

В результате деления ядер происходит непрерывная убыль делящегося материала. Этот процесс называется выгоранием. Сопровождается этот процесс общей потерей запаса реактивности.

Под выгоранием горючего подразумевают определение количества ядер, которые разделились за некоторый период времени.

Характеристики:

m- количество разделившегосяU²³⁵за времяt(сутки) работы на мощностиN(МВт), т.е. при энерговыработке.

Q=N*t(МВт*сутки)

m=1,05*N*t=1,05*Q(г), где 1,05 – массаU²³⁵в граммах, который необходимо разделить для получения энергии 1 МВт*сутки.

Средняя глубина выгорания определяется как количество энергии, полученной с единицы массы топлива, загруженного в реактор, за время его пребывания в активной зоне (АЗ).

В современных ВВЭР с обогащением топлива 3-5% при компании 2-3 года средняя глубина выгорания может достигать 30-40 МВт*сутки/кг. В реакторах на быстрых нейтронах и в высокотемпературных ядерных реакторах средняя глубина выгорания может достигать 100-150 МВт*сутки/кг.

7. Газовые теплоносители. Свойства. Достоинства и недостатки.

В настоящее время практический интерес представляют: He,H₂,N₂,CO₂и воздух. Наилучшими теплофизическими свойствами обладает водород, но он обладает высокой коррозийной активностью по отношению к материалам АЗ, он также взрывоопасен. По совокупности всех требований наиболее пригоденHe. На первых этапах наиболее часто применяется СО₂.

Достоинства газовых теплоносителей:

1. Однофазный теплоноситель газ позволяет получать высокие температуры на выходе из реактора до 1000˚С и выше не зависимо от его давления.

2. Высокая температура теплоносителя делает возможным реализацию наиболее эффективных тепловых схем с максимальным термическим КПД.

3. Малое микроскопическое сечение поглощения нейтронов у газов даёт значительную экономию нейтронов в АЗ.

4. При аварийных ситуациях, связанных с разгерметизацией 1-го контура, газоохлаждаемые реакторы оказываются наиболее безопасными с точки зрения радиационного воздействия на окружающую среду.

5. Возможность применения одноконтурных газоохлаждаемых схем. Реализация преобразования тепловой энергии в механическую непосредственно.

Недостатки:

1. Требуется прокачка большого объёма газа через реактор для обеспечения эффективного теплосъёма. Эта необходимость возникает вследствие небольшой плотности, низкой объёмной теплоёмкости и небольшого коэффициента теплопроводности газов. Затраты энергии на перекачку теплоносителя достигают 20% вырабатываемой энергии, в то время как для воды 5-6%.

2. Требуется хорошая герметизация циркуляционного контура, вследствие высокого давления для лучшей перекачки теплоносителя.

3. Возникновение газовой коррозии.

4. Требуется отчистка газов от примесей.

8. Причины формоизменения твэл и способы его подавления.

ТВЭЛ– устройство, предназначенное для размещения в АЗ в определенном порядке ядерного топлива, генерации основной части производимой в АЗ тепловой энергии и передачи ее теплоносителю.

Ядерное топливо– вещество, используемое в ядерном реакторе для осуществления цепной реакции деления.

К числу основных повреждений ТВЭЛов в процессе эксплуатации следует отнести изменение формы и размеров сердечника вследствие радиационного роста, распухания, термических циклов и аллотропических превращений; разрушение оболочки вследствие протекания коррозионных и эрозионных процессов, диффузного взаимодействия материала горючего и оболочки, перегрева отдельных участков оболочки. К вспучиванию ТВЭЛов ведет неравномерность расширения оболочек и ядерного топлива.

Способы подавления формоизменения ТВЭЛа:

• К примеру, если существует изгиб ТВЭЛов, то необходим тщательный подбор материалов кассеты, правильный выбор осевого зазора.

• Локальные деформации при механическом воздействии топлива и оболочки, следовательно, необходимо повышение температуры отжига оболочки, увеличение толщины стенки, применение смазок и др.

• Охрупчивание сварных швов, следовательно, требуется отработка технологии сварки.

Для повышения надежности, прочности ТВЭЛов существуют свои усовершенствования:

• Увеличение толщины оболочки (возрастает прочность и жесткость, а следовательно, возрастает сопротивление формоизменению)

• Вакуумная сушка (предотвращает гидрирование)

• Внутреннее противодавление в ТВЭЛах (предотвращает смятие оболочки, уменьшение взаимодействия топлива и оболочки).