19967

Проблема выбора конструкционных материалов для изделий ядерной энерготехники

Лекция

Физика

Познакомить слушателей с проблемой выбора конструкционных материалов для изделий, работающих в поле нейтронного излучения. Обратить особое внимание на пострадиационные технологические операции с изделием (в нашем случаем с облучательным устройством) по его радиационно-безопасном «захоронении».

Русский

2013-08-13

21.18 KB

1 чел.

Конспект занятия 15.

Цель.

   Познакомить слушателей с проблемой выбора конструкционных материалов для изделий,  работающих в поле нейтронного излучения. Обратить особое внимание на  пострадиационные технологические операции с изделием (в нашем случаем с облучательным устройством) по его радиационно-безопасном «захоронении». Обосновать использование теории размерностей и подобия для получения качественных представлений о степени пригодности изотопов конструкционных материалов при разработке облучательных устройств, рассмотрев список существенных величин влияющих на процесс выбора. Представить ряд предпочтительности использования изотопов в конструкциях высокотемпературных облучательных устройств.

План.

1. Проблема выбора конструкционных материалов для изделий ядерной энерготехники.

2. список существенных величин влияющих на процесс выбора..

3. Безразмерные критерии выбора.

4.Размерный комплекс и ряд предподчительности к применению изотопов.

    Составление  строгих математических зависимостей для определения критерия выбора конструкционных материалов для облучательных устройств  представляет значительную сложность, поэтому предлагается воспользоваться методом теории анализа размерностей величин, существенно влияющих на процесс выбора материалов при разработке высокотемпературных облучательных устройств.

    Список существенных величин и критерии выбора.

    Выбор материалов, по-видимому, должен быть основан на оценке "сложности" проводимого эксперимента,  экономических факторов и свойствах самого материала.

    Рассмотрим список величин, которые могут существенно влиять на выбор материалов при реакторных испытаниях:

N = N( qv ;α ;Tисп ;[T]; t1/2 ; tисп; [σ]; C; C0 ; K ; [D] )

Обоснуем представленный список существенных величин и проанализируем их размерности:

[qv] = Вт/см3 - объемная плотность источников тепла, вызванная реакцией взаимодействия потоков излучений с материалом, большое значение объемной плотности  характеризует более "сложные" условия, в которых находится материал при проведении экспериментов.

[α]= Вт/cm2К - коэффициент теплоотдачи, который характеризует взаимодействие материала в тепловом отношении с окружающей средой. При больших значениях α   существуют хорошие условия теплообмена и, по-видимому, рассматриваемый материал находится в относительно "несложных" условиях эксплуатации.  Этот параметр описывает условия проведения эксперимента.

исп ]   = [[T]]= К - температура эксплуатации материала  в  процессе испытаний и предельно допустимая   температура применения  данного материала. Тисп характеризует условия проведения эксперимента. Предельная температура является  характеристикой материала.

[tucn ]  = [t1/2]= час - продолжительность испытаний и период полураспада изотопа, образовавшегося в результате облучения данного материала нейтронами.

      Продолжительность испытаний является характеристикой эксперимента и предъявляет   определенные требования к надежности испытательного устройства.  Эксперимент следует считать более сложным при большем  tисп .

    Период полураспада  характеризует возможности проведения перегрузочных и ремонтных работ над устройством или элементом устройства, который включает в себя данный материал. Эта величина может характеризовать также цикличность использования элемента с точки  зрения возможности начала ремонтных работ,  исходя из радиационной безопасности  для персонала,

[ [ σ] ]   = кГ/см2 - допустимое напряжение для материала при механических воздействиях на данный элемент.  Эта величина является характеристикой материала и зависит от вида напряженного состояния.

[С ]  = рубль/кГ - стоимость за килограмм материала.

[Со] = рубль/час - стоимость эксплуатации элемента или устройства,  затраты   на изготовление элемента.

[K] = р/час - гамма-постоянная изотопа,  образовавшегося в результате облучения нейтронами. Эта величина  характеризует энергетический спектр гамма-излучения и является характеристикой материала.  Она определяет также защитные меры при проведении ремонтных и перегрузочных  работ с элементом или устройством.

[[D]] = р/час - допустимая мощность дозы, определяющая      
возможные границы работы с элементом.

    Анализ размерностей списка существенных величин дает  n = 11

- число существенных величин и к=6 - число единиц измерения, имеющих независимые размерности. В соответствии с π- теоремой  число критериев,  определяющих процесс   выбора, равно (n-k) = 5.

    В результате приведения системы к безразмерному виду имеем:

N=(qv  C0 /T2исп  α2 C)n1 (T2исп α2 tисп C/[σ] C0)n2(t1/2 /tисп)n3 (Tисп/[T])n4 (K /[D])n5

    Полученная функциональная зависимость для  N   от безразмерных критериев может быть уточнена экспериментально, однако, это представляет  достаточно сложную и дорогостоящую задачу.

    Для качественных оценок возможно ввести некоторые гипотезы, ограничивающие выбор n, они сводятся к следующему:

    1.Все рассматриваемые величины существенно влияют на выбор материала, т.е. ни одна из величин не должна выпасть из рассмотрения (сократиться).

    2.Совокупность величин, описывающая свойства материала
или "сложность" условий   эксперимента, должна представляться в
таком виде, чтобы «лучшему» из   материалов  соответствовало больше или меньшее значение размерного комплекса.

    3.Существенно меняющиеся величины должны иметь меньшее
значение степени, чтобы их вклад был близок по отношению к мало меняющимся.

    Одним из вариантов компоновки критерия выбора материала, удовлетворяющим  перечисленным требованиям, служит следующее представление критерия (n1=1, n2=1/2, n3=1/4, n4=2, n5=1):

N = (qvC0/T2испα2C)1 (T2исп α2 tисп C / [σ] C0)1/2(t1/2/tисп)0,25 (Tисп/[T])2 (K/[D])1

    Плотность внутренних источников тепла можно представить в следующем виде:

qv = А  γ  Σ  Ф  Е / µ    

где

А - число Авогадро;  

µ - молекулярный вес;

Σ - сечение взаимодействия;   

Ф - плотность потока излучения;

Е - количество тепла на один акт взаимодействия;

     После подстановки qv в N, последний может быть представлен как произведение  двух размерных комплексов:

N = V * W

где

V = Ф Е Tисп C00,5 tисп0,25/ α [D] С0,5

W = А γ Σ  K  t1/20.25 / µ  [σ]0.5  [T]2

    Нас интересует размерный комплекс W  , который описывает свойства материалов. Очевидно, что материал обладает "лучшими" радиационно-физичесними свойствами, если величины  γ, Σ, K, t1/2    имеют меньшие значения,  а  [σ], [Т]   велики.

    Таким образом, меньшему значению W   отвечает "лучший" материал. Рассмотрев ряд изотопов, которые могут служить конструкционными материалами, либо могут использоваться при конструировании облучательных устройств (таб.4.1) приходим   выводу, что в соответствие с предпочтительностью к применению

(меньшее значение W) в высокотемпературных реакторных установках изотопы следует расположить в следующем порядке:

Мо , Ti, Zr, АI, Gr, V, Ni, Zn, Nb, Сu, W, Ta, Fe, Ag.

    В этом ряду не присутствуют соединения и сплавы, однако, величина W  может быть рассчитана и для них.

Таб. 4.1.

µ

γ

Σ

Κγ

τ1/2

[σ]

пл]

W*106

Al

27

2.7

0.23

8.6

0.042

5

933

0.031

V

51

6.1

4.5

7.33

0.064

36

2170

0.042

Ti

48

4.5

0.2

2.34

0.097

43

2000

0.0006

Cr

50

7.2

11.0

0.18

668

38

2150

0.0336

Fe

58

7.8

0.7

6.25

1084

36

1810

0.103

Ni

64

8.9

2.6

3.12

2.56

41

1725

0.0445

Cu

63

8.9

3.9

1.19

12.8

20

1356

0.095

Zn

65

7.1

0.5

2.83

6000

4

694

0.085

Zr

94

5.5

0.08

4.22

1560

50

2123

0.028

 Nb

  93

8.6

1.1

9.01

10

64

2730

0.88

Mo

98

10.2

0.13

1.45

67.1

64

2860

0.0006

Ag

109

10.5

2.8

15.4

6500

4

1233

7.0

Ta

181

16.6

21

1.0

2670

49

3260

0.102

W

186

19.3

40

3.12

24

144

3660

0.1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

7100. Проектирование многомодульной программы 177.5 KB
  Проектирование многомодульной программы Методические указания содержат основные теоретические сведения, рекомендации и примеры, необходимые для выполнения лабораторной работы и семестрового задания по курсу Алгоритмические языки и прог...
7101. Жилищное право. Понятие жилищного права. Источники жилищного права 342.5 KB
  Понятие жилищного права. Источники жилищного права. Жилищное право - это совокупность норм права, регулирующих жилищные отношения. Понятие жилищное право употребляется в юридической литературе в двух смыслах, узком и широком. В узком смысле жилищн...
7102. Физико-химические основы тепловых процессов 291.5 KB
  Физико-химические основы тепловых процессов Лекция № 1 Введение. Классификация топлива. Введение. Данный курс рассматривает совокупность последовательных физических и химических действий (процессов) для получения тепловой энергии. Народное хозяйство...
7103. Заряды взрывчатых веществ стандартные и изготовляемые в войсках 59.66 KB
  Заряды взрывчатых веществ стандартные и изготовляемые в войсках Учебные вопросы Введение. Сосредоточенные, удлиненные, фигурные и кумулятивные стандартные заряды. Сосредоточенные, удлиненные, фигурные и кумулятивные заряды ВВ изготовляем...
7104. Молекулярная физика. Тепловые явления 162.5 KB
  Молекулярная физика. Тепловые явления Содержание: Молекулярно-кинетическая теория Тепловые явления в молекулярной физике. Силы взаимодействия молекул, их масса и размер. Причина броуновского движения частицы. Давление идеального газа. Температура По...
7105. Транспортное обеспечение коммерческой деятельности 94.48 KB
  Лекции по дисциплине Транспортное обеспечение коммерческой деятельности Лекция 1 - Транспортная система России Изучаемые вопросы: необходимость изучения дисциплины. Цель, объект, предмет изучения сущность транспортных услуг, их особенно...
7106. Математическое моделирование процессов рафинирования алюминиевых сплавов 191.5 KB
  Математическое моделирование процессов рафинирования алюминиевых сплавов Изложены: методические разработки по рафинированию алюминия и алюминиевых сплавов, методы математического моделирования при планировании экспериментов на трех уровнях фак...
7107. Капитальный ремонт: стимулирование инициатив собственников жилья 259.5 KB
  Бюджетные средства - решение двух главных проблем содержания многоквартирных домов Последние несколько лет капитальный ремонт многоквартирных домов стал одной из самых злободневных и наиболее часто обсуждаемых тем в большинстве российских городов. П...
7108. СТРУКТУРНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ПРОГРАММИРОВАНИЕ 99.72 KB
  Нисходящее проектирование В результате этого проектирования строится иерархическая схема, отражающая состав и взаимоподчиненность отдельных функций, которая носит название функциональная структура алго...