Метод экспериментального моделирования радиационно-индуцированного распухания конструкционных материалов ядерных реакторов с помощью комбинированной имплантации высокоэнергетичных ионов гелия и протонов

Представлен метод экспериментального моделирования радиационно-индуцированного распухания конструкционных материалов, основанный на комбинированной имплантации высокоэнергетических ионов гелия и водорода. Целью работы является оценка применимости данного подхода для ускоренного воспроизведения радиационных повреждений, характерных для условий эксплуатации материалов ядерных реакторов. Проведены эксперименты по облучению образцов сталей 12Х18Н10Т, St37-3, ЭИ-847, сплавов D16, VT-6, циркония и карбида кремния в диапазоне энергий 400–1500 КэВ и доз (1 · 10¹⁴)–(2 · 10¹⁸) ион/см². Морфология поверхностных слоев исследована методом стилусной профилометрии до и после изохронного отжига в интервале температур 250–550 °C. Установлены закономерности изменения коэффициента распухания в зависимости от дозы облучения и температуры отжига. Предложенный метод может быть использован для ускоренной оценки радиационной стойкости перспективных конструкционных материалов.

1. Terrani, K. A. Accident tolerant fuel cladding development: Promise, status, and challenges / K. A. Terrani // Journal of Nuclear Materials. – 2018. – Vol. 501. – P. 13–30. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2017.12.043

2. Zinkle, S. J Designing radiation resistance in materials for fusion energy / S. J. Zinkle, L. L. Snread // Annual Review of Materials Research. – 2014. – Vol. 44. – P. 241–267. https://doi.org/10.1146/annurev-matsci-070813-113627

3. Post, R. F. Fusion reactors as future energy sources / R. F. Post, F. L. Ribe // Science. – 1974. – Vol. 186, iss. 4162. – P. 397–407. https://doi.org/10.1126/science.186.4162.397

4. Zinkle, S. J. Materials challenges in nuclear energy / S. J. Zinkle, G. S. Was // Acta Materialia. – 2013. – Vol. 61, iss. 3. – P. 735–758. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2012.11.004

5. Chu, S. Opportunities and challenges for a sustainable energy future / S. Chu, A. Majumdar // Nature. – 2012. – Vol. 488. – P. 294–303. https://doi.org/10.1038/nature11475

6. Ziegler, J. F. The Stopping and Range of Ions in Matter / J. F. Ziegler, J. P. Biersack, U. Littmark. – New York: Pergamon Press, 1985. – Vol. 1. – 321 p.

7. A study of depth distributions of implanted shallow lying impurities in materials by RBS with nanometer resolution / F. Komarov, A. Kamyshan, V. Pilko, P. Grishin // Ion Implantation and other applications of ions and electrons: Proceedings of the 9th International Conference, Kazimierz Dolny, Poland, June 25–28, 2012. – 2012. – P. 75.

8. On the use of SRIM for computing radiation damage exposure / R. E. Stoller, M. B. Toloczko, G. S. Was [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B. – 2013. – Vol. 310. – P. 75–80. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2013.05.008

9. Primary radiation damage in materials / K. Nordlund, A. E. Sand, F. Granberg [et al.]. – OECD, 2015. – URL: http://li.mit.edu/S/14/Paper/nsc-doc2015-9.pdf

10. Norgett, M. J. A proposed method of calculating displacement dose rates / M. J. Norgett, M. T. Robinson, I. M. Torrens // Nuclear Engineering and Design. – 1975. – Vol. 33, iss. 1. – P. 50–54. https://doi.org/10.1016/0029-5493(75)90035-7

11. Irradiation damage investigation of helium implanted polycrystalline copper / Y. Yang, D. Frazer, M. Balooch, P. Hosemann // Journal of Nuclear Materials. – 2018. – Vol. 512. – P. 137–143. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2018.09.022

12. Процессы дефектообразования в Si и GaAs при протонном облучении и применение дефектных структур в технологиях микро- и оптоэлектроники / Ф. Ф. Комаров, О. В. Мильчанин, А. М. Миронов [и др.] // Материалы электронной техники и современные информационные технологии (МЕТИТ-3): материалы 3-й Междунар. науч.-практ. конф., Кременчуг, Украина, 21–23 мая 2008 г. – Кременчуг, 2008. – С. 51–56.

13. Mechanical and Structural Transformations of Tungsten Implanted with Helium / F. I. Allen. P. Hosemann, M. Balooch, M. Popovic // Journal of Nuclear Materials. – 2021. – Vol. 559, № 1. – P. 256–260. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2021.153436

14. The effect of grain size on bubble formation and evolution in helium-irradiated Cu–Fe–Ag / M. Wurmshuber, D. Fra zer, M. Balooch [et al.] // Materials Characterization. – 2021. – Vol. 171. – Art. ID 110822. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2020.110822

15. Wirth, B. D. MD and KMC modeling of the growth and shrinkage mechanisms of helium–vacancy clusters in Fe / B. D. Wirth // Journal of Nuclear Materials. – 2003. – Vol. 323, iss. 2–3. – P. 243–250. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2003.08.019

16. Rimmer, D. E. The solution of inert gas atoms in metals / D. E. Rimmer, A. H. Cottrell // Philosophical Magazine. – 1957. – Vol. 2, № 23. – P. 1345–1353. https://doi.org/10.1080/14786435708243211

17. Helium and radiation defect accumulation in metals under stress / G. Dobmann, S. N. Korshunov, M. Kroening [et al.] // Vacuum. – 2008. – Vol. 82, iss. 8. – P. 856–866. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2008.01.044

18. Peculiarities of helium bubble formation and helium behavior in vanadium alloys of different chemical composition / M. S. Staltsov, I. I. Chernov, B. A. Kalin [et al.] // Journal of Nuclear Materials. – 2015. – Vol. 461. – P. 56–60. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2014.09.085

19. Mansur, L. K. Advances in the Theory of Swelling in Irradiated Metals and Alloys / L. K. Mansur, M. H. Yoo // Journal of Nuclear Materials. – 1979. – Vol. 85–86, part 1. – P. 523. https://doi.org/10.1016/0022-3115(79)90541-5