Садвакасова А. О., Кульсартов Т. В.

Семипалатинкий Государственный университет им. Шакарима

Определение основных параметров взаимодействия дейтерия с нержавеющей сталью SS316IG (ITER Grade)

в условиях реакторного излучения

Проблема водородопроницаемости (ВП) первой стенки термоядерного реактора (ТЯР) возникла и существует в связи с использованием в будущих реакторах синтеза трития, диффузионные утечки которого могут оказаться значительными. Эти утечки могут создать ряд трудностей и потребуют значительных затрат при защите работников. Для оценки радиационно-экологической безопасности необходимо знать основные параметры взаимодействия изотопов водорода с конструкционными материалами ТЯР.

Данная работа посвящена исследованиям взаимодействия изотопов водорода с малоактивируемой нержавеющей сталью типа SS316IG, которая была специально разработана для конструкций будущих ИТЕР (элементы вакуумного корпуса и внутрикорпусные конструкции, трубы коллекторов и др).

Исследования проводились на базе реакторного комплекса «Байкал-1» , на экспериментальном стенде «ЛИАНА» с помощью ампульного устройства «ПРОТОН-1», размещенного в центральном канале реактора ИВГ.1М. В экспериментах проводилась регистрация кинетики проникновения дейтерия сквозь образец (изменение потока со временем).

Для обработки результатов, полученных в экспериментов по ВП, была написана программа в среде МathCAD, методика расчета которой соответствовала ОСТу [[1]]. Программа позволяет вычислить  коэффициент диффузии D, константу проницаемости P и растворимости дейтерия S. После запуска программы в начале рабочего листа вводятся экспериментальные данные, по которым строится кривая проницаемости (рисунокРисунок 1(а)). С помощью встроенных функций выполняются нормировка и сглаживание экспериментальной кривой, и производится ее линеаризация с помощью метода функциональных масштабов (рисунокРисунок 1(б)).

а) Вид экспериментальной кривой

б) Вид кривой проницаемости                     в функциональном масштабе

Рисунок 1 – Фрагменты программы

По наклону линеаризированной зависимости потока дейтерия от времени  определяются основные параметры взаимодействия дейтерия с исследуемой сталью (рисунок

Рисунок 2).

Рисунок 2 – Фрагмент программы. Расчет коэффициентов диффузии, растворимости и проницаемости

Рассчитанные с помощью программы параметры взаимодействия дейтерия с нержавеющей сталью SS316IG отображены в таблице Ошибка! Неверная ссылка закладки..

Таблица 1 - Параметры взаимодействия дейтерия с нержавеющей сталью SS316IG, реакторный эксперимент (1 МВт)

Т, 0С

D, м2/c

P, моль/c×м×Па1/2

S, моль/м3×Па1/2

350

1,1*10-11

1,24*10-11

1,1

400

2,4*10-11

3,35*10-11

1,4

450

5,6*10-11

7,24*10-11

1,3

По значениям коэффициентов диффузии и констант проницаемости построены арениусовские зависимости, которые представлены на рисунке Рисунок 3.

а) коэффициента диффузии

б) константа проницаемости

Рисунок 3 – Арениусовские зависимости

По данным зависимостям видно, что имеются различия между результатами расчета основных параметров в дореакторных и реакторных экспериментов. Различие заключается в уменьшении коэффициента диффузии и проницаемости в условиях реакторного излучения при температурах 350 и 4000С. По арениусовким зависимостям рассчитаны предэкспоненциальные множители и энергии активации процессов диффузии (таблица Таблица 2).

Таблица 2 – Предэкспоненциальные множители и энергии активации

Мате-риал

D=Doexp(−ED/RT)

P=Poexp(−EР/RT)

S=Soexp(−ES/RT)

Источ-ник дан-ных

Do, м2/с

ED,

кДж/моль

Рo, моль/м×с× ×Па1/2

Ep, кДж/моль

So, моль/м3 ×Па1/2

ES, кДж/моль

SS 316IG

(1,4±0.1)

×10-6

61,1±3.0

(4,5±0.1)

×10-6

66,4±3.0

3,3±0.1

5,3±3,0

Реак-торный

экспе-римент

Полученные результаты будут применены для оценки влияния реакторного излучения на процессы взаимодействия изотопов водорода со сталью SS316IG.

Литература


[1]  ОСТ 92-4949-84. МЕТАЛЛЫ. Методы определения высокотемпературной водородопроницаемости.