Использование технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза для создания функциональных борсодержащих материалов ядерных энергетических установок
Диссертация
Автор: Демянюк, Дмитрий Георгиевич
Название: Использование технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза для создания функциональных борсодержащих материалов ядерных энергетических установок
Справка: Демянюк, Дмитрий Георгиевич. Использование технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза для создания функциональных борсодержащих материалов ядерных энергетических установок : диссертация кандидата технических наук : 01.04.14 Томск, 2007 124 c. : 61 07-5/3403
Объем: 124 стр.
Информация: Томск, 2007
Содержание:
Введение
Глава
IОсновные направления использования технологии И самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в физике и технике ядерных энергетических установок
11 Использование керамических материалов в атомной промышленности и технологии их получения
12 Метод самораспространяющегося высокотемпературного Расчетно-теоретическое обоснование возможности синтеза и его применение
Выводы
Глава получения функциональных материалов ЯЭУ методом СВС
21 Элементный состав материалов, предназначенных для защиты от потоков ионизирующего излучения
22 Теплофизические условия синтеза борсодержащих материалов для систем ЯЭУ
Выводы
Глава
III Самораспространяющийся высокотемпературный синтез поглощающих и функциональных материалов для ядерных энергетических установок
31 Приборы и техника проведения эксперимента, технологические приемы получения борсодержащих материалов
32 Тепловые режимы получения СВС-материалов на основе борида вольфрама и карбида бора
33 Влияние геометрии образцов на тепловые режимы горения
34 Влияние реакционноспособных добавок на тепловые режимы и свойства конечного продукта
35 Режимы получения многослойной СВС-керамики на основе композиций WB и В4С
Выводы
Глава
IV Использование материалов, полученных в режиме технологического горения, в технике радиационной защиты
41 Прочностные свойства СВС-материалов
42 Исследование защитных свойств материалов полученных в режиме СВС
421 Свойства материалов, обеспечивающие защиту от потоков быстрых нейтронов (эксперимент)
422 Свойства материалов, обеспечивающие защиту от у-излучения (эксперимент)
423 Расчетное исследование защитных свойств (методика и результаты численных экспериментов)
43 Методика сравнительного анализа радиационной стойкости на базе возбуждения термо ЭДС в композиционных материалах
Выводы
Заключение Литература
Введение:
Актуальность работы. В настоящее время большую приобрели вопросы повышения безопасности и актуальность ядерных надежности энергетических установок (ЯЭУ) различного целевого назначения. Одним из путей решения данной проблемы является создание новых материалов, а также поиск более эффективных способов их получения. Большое применение в ЯЭУ нашли функциональные материалы, полученные с использованием керамических технологий. Например, создание перспективных ядерных топливных композиций: сульфиды, нитриды, карбиды делящихся и сырьевых нуклидов; создание жаропрочных и коррозионностойких замедляющих материалов: нитрид бериллия, карбид циркония; синтез материалов для изготовления элементов систем управления и защиты ядерных энергетических установок: сульфид кадмия, нитрид гафния, карбид гафния и, наконец, получение компактных высокоэффективных защитных материалов [1]. Вместе с тем традиционные технологии создания указанных материалов обладают рядом существенных недостатков, среди которых следует отметить высокие временные и энергозатраты, сложное аппаратное обеспечение и др. В связи с этим возникает необходимость использование нетрадиционных для ядерной техники технологических подходов. Ярким является синтеза примером метод (СВС), перспективных керамических технологий самораспространяющегося высокотемпературного разработанный в 1967 г. в Институте структурной макрокинетики РАН академиком А.Г.Мержановым и сотрудниками [2]. К преимуществам технологии СВС следует отнести простоту аппаратного исполнения, малые времена протекания синтеза, сравнительно малые энергозатраты и т.д [3]. Кроме того, СВ-синтез характеризуется тем, что в ходе протекания реакции имеет место высокотемпературная среда, допускающая различные типы дополнительных внешних воздействий, посредством которых представляется возможным регулирование структуры и свойств конечных продуктов, т.е. позволяет получать новые материалы с требуемым набором свойств [4]. Это дает возможность использовать СВС-технологии в ядерной технике, что подтверждается теоретическими и экспериментальными исследованиями. Так, например, в Томском политехническом университете на Физикотехническом факультете разработан ряд направлений получения и использования СВС-материалов: интерметаллические композиции на основе алюминидов никеля, используемые в качестве фильтровальных элементов для очистки газов и жидкостей от примесей и стойкие к воздействию радиации и агрессивных сред [5]; высокоэмиссионные металлокерамические материалы, которые могут быть использованы в качестве термо- и взрывоэмиссионных катодов [6]. Одной из приоритетных задач при эксплуатации ЯЭУ является обеспечение их безопасного функционирования. Важная роль при решении этой проблемы отводится совершенствованию систем управления и зашиты ЯЭУ. к основным требованиям для материалов СУЗ относятся следуюшие, высокие значения ряда механических свойств, таких как прочность на сжатие и растяжение, пластичность, термическая и радиационная стойкость и др., высокие значения замедляющей способности и сечений поглощения нейтронов, высокое значение коэффициента ослабления у-квантов. Создание СВС-материалов различного целевого назначения обуславливает большое число рассматриваемых исходных систем. Причем их синтез должен сопровождаться как получением конечного продукта, так и обеспечиваться определенными условиями осуществления СВ синтеза. Это подразумевает проведение большого числа экспериментов с целью определения теплофизических параметров, определяюших режимы получения материалов.Поэтому на предварительном этапе целесообразно определить принципиальную возможность получения конечного материала выбранного состава, а также спрогнозировать основные условия подготовки и осуществления процесса СВС. С этой точки зрения СВС можно охарактеризовать как направленный синтез, подготовка и режимы реализации которого обеспечивают получение материала с требуемым сочетанием свойств. Он должен включать следующие основные этапы: поиск систем элементов и соединений, способных обеспечить требуемые свойства, а также возможных способов получения из них материалов целевого назначения; определение принципиальной возможности создания таких материалов, прогнозирование основных характеристик процесса синтеза; эксперименты по синтезу необходимого материала, проводимому по схеме, установленной в ходе расчетно-теоретического анализа; определение технологических приемов, обеспечивающих изготовление элементов различных конструкций из полученных материалов, и их стендовые испытания в условиях реальной эксплуатации. Цель работы. Разработка теплофизических и и основ СВ-синтеза борсодержащих материалов металлокерамических конструкций керамических систем функциональных ядерных защитных управления энергетических установок. Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи: провести выбор элементного состава материалов, предназначенных для защиты от потоков высокоэнергетического излучения в условиях мощного теплового и радиационного воздействия, которые могут быть получены в режиме направленного высокотемпературного синтеза; расчетным путем определить параметры синтеза борсодержащих металлокерамических и керамических материалов на основе расчета адиабатической температуры с использованием квантовой модели Дебая с учетом особенностей зависимости теплоемкости от температуры; провести теплофизические эксперименты по направленному синтезу борсодержащих металлокерамических и керамических материалов, определить основные этапы технологического процесса получения функциональной керамики, в том числе многослойной; определить геометрические параметры, влияющие на тепловые режимы протекания синтеза; определить закономерности протекания СВС в исследуемых системах при введении реакционноспособных модифицирующих добавок; провести радиометрические и численные эксперименты, определить оптимальные сочетания элементного состава, реологических свойств и массогабаритных показателей, обеспечивающие максимальную эффективность защиты от потоков высокоэнергетических нейтронов и у-излучения керамики. Научная новизна. 1. Разработанная методика определения адиабатической температуры при использовании функциональной борсодержащей позволила получить уникальную информацию по значениям Тад в зависимости от условий подготовки и проведения СВС для синтеза функциональных материалов ЯЭУ. 2. Установлены связи между теплофизическими режимами получения материалов на основе борида вольфрама и карбида бора, и свойствами конечного продукта на их основе. 3. Впервые разработаны теплофизические основы горения двухслойных систем на основе вольфрам-бор и углерод-бор содержащих материалов для систем управления и защиты ЯЭУ. 4. Определены и обоснованы геометрические параметры системы и их влияние на тепловые режимы протекания СВС. Установлены закономерности нротекания СВС борсодержащих системах при введении реакционноспособных модифицирующих добавок различных типов (металл-металл, металл-неметалл), 6. Установлены закономерности прохождения нейтронного и у-излучения через пористые экраны состоящие из материалов на основе борида вольфрама, карбида бора и их послойных комбинаций. Практическая значимость. Отработаны основные положения технологии получения материалов на основе карбида бора и борида вольфрама методом самораспространяющегося синтеза, в том числе и при нагружении реакционноспособными модификаторами. Впервые синтезированы двухслойные образцы указанных материалов. Проведено исследование защитных от потоков быстрых нейтронов и заряженных частиц свойств материалов на основе борида вольфрама, карбида бора и их послойных комбинаций. Установленный факт влияния пористости материала на защитные от потоков заряженных частиц и у-квантов свойства позволяет утверждать, что при определенных сочетаниях концентрации пор и их характерных размеров эффективность защиты в этом случае возрастает. Практическая значимость подтверждена внедрением результатов диссертационной работы при выполнении научно-технической программы совместных исследований концерна «РОСЭПЕРГОАТОМ» и ТПУ «Улучшение топливоиспользования, новые виды ядерного топлива. Схемы перегрузок и перемещения топлива в ВВЭР-1000, обеспечивающие возможность организации сверхдлинных компаний» (справка об использовании результатов от 14.01.05 за №ЮК/40). Работа выполнена в рамках реализации научно-технических программ: программа сотрудничества Минобразования РФ и Министерства РФ по атомной энергии «Интеграция в сфере образовательной деятельности Томского политехнического университета и сибирских предприятий Минатома РФ», программа Рособразования РФ «Целевая финансовая поддержка для развития приборной базы научных исследований», программа Российского фонда фундаментальных исследований «Разработка естественно-научных основ комплекса технологии ядерных топливных элементов с дополнительным барьером безопасности» На защиту выносятся. 1. Рачетно-теоретичекий анализ принципиальной возможности получения материалов на основе борида вольфрама, карбида бора и их послойных комбинаций в режиме СВС, основанный на термодинамическом расчете адиабатической температуры горения с использованием квантовой модели Дебая для определения температурной зависимости теплоемкости образующихся продуктов синтеза. 2. Экспериментально установленные теплофизические режимы протекания СВС в системах W-B и В-С при их сравнении с аналогичными режимами, определенными в ходе рачетно-теоретичекого анализа, 3. Способы направленного изменения теплофизических параметров горения систем W-B и В-С при их нагружении реакционноспособными добавками, которые приводят к модификации струтурно-фазовых характеристик получаемых материалов. 4. Экспериментальное определение пределов влияния геометрических и прочностных параметров исходных СВС-систем на режимы распространения волны горения при проведении синтеза материалов на основе борида вольфрама и карбида бора. 5. Закономерности прохождения потоков высокоэнергетичных нейтронов, гамма-квантов и заряженных частиц через защитные СВС-композиции на основе борида вольфрама и карбида бора, позволяющие определить преимущества полученных материалов перед материалами, традиционно используемыми в системах управления и защиты ЯЭУ. Апробация работы. Материалы работы были представлены и докладывались на 6-ой Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», Томск, 2000 г. [14]; Ш-ей Международной научно-технической конференции «Проблемы промышленных СВС-технологий 2000», Барнаул, г. [15]; VI-ой студентов, аспирантов Международной и молодых научно-практической конференции ученых «Современные техника и технологии», Томск, 2001 г. [16]; Международной студенческой конференции «Полярное сияние 2001», Санкт-Петербург, 2001 г. [17]; Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы технологий атомной промышленности-2001», Томск, 2001 г. [18]; VI International Symposium on Self-Propagating High-Temperature Synthesis, Haifa, Israel, 2002 [19]; III International Conference on Inorganic Materials, Germany, 2002 [20]; Х-ой Юбилейной международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», Томск, 2004 г. [21]; конференции Сибирского химического комбината «Молодежь ЯТЦ: наука и производство», г. Северск, СХК, 2004 г. [22]; Ш международной научно-практической конференции «Физико-технические проблемы атомной энергетики и промышленности», г. Томск, 2005 г. [23]; IX Международной конференции «Нолярное сияние 2006 Ядерное будущее: безопасность, экономика и право», г. Санкт-Петербург, 2006 г. [24]. Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемой литературы. Материал работы изложен на 124 страницах, включая 40 рисунков и 17 таблиц. СПИСОК_ЛИТЕРАТУРЫ включает 86 наименование. Личный вклад автора заключается в постановке целей и формулировке задач исследований, обосновании выбора теоретических и расчетных методов решения поставленных задач, анализе полученных данных и их интерпретации. Автор принимал непосредственное участие в разработке теоретических моделей, проведении исследований и обработке данных экспериментов, составлении отчетной документации, подготовке материалов докладов и публикаций, выводов и заключений по работе, выдаче рекомендаций для практического использования. Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 26 печатных работах, в том числе в 8 научных статьях [6-13], 18 трудов и материалов конференций [14-31]. 10
|