Reaktortechnika Anyagismeret
Bevezetés Atomerımővek bonyolult mérnöki létesítmények a berendezések és azok anyagai igen nehéz, esetenként szélsıséges feltételek között (nagy nyomás és hımérséklet, erıs sugárzás együttes hatása alatt) üzemelnek Felhasznált anyagok költségei: jelentıs részarány a beruházás költségein belül Az atomerımővek biztonsága üzemkészsége és gazdaságossága alapvetıen függ a primerkörben, különösen a reaktorban és annak környezetében alkalmazott anyagoktól.
A felhasznált anyagokkal szemben támasztott követelmények Általános követelmények (konvencionális erımővek esetében is) Igénybevétel, követelmény Statikus és dinamikus igénybevétel A mechanikai jellemzık nagy hımérsékleten sem változhatnak a megengedettnél nagyobb mértékben Hosszú idejő rezgési igénybevétel Hőtıközeg korróziós, eróziós hatása Megkövetelt tulajdonság szívósság melegszilárdság kifáradással szembeni ellenállóság jó korrózió- és erózióállóság
A felhasznált anyagokkal szemben támasztott követelmények Speciális követelmények (atomerımővek esetében) Igénybevétel, követelmény Különbözı fajtájú sugárzások Főtıelemek: 3-5 év Reaktortartály: 30-50 év Főtıelemek hermetikusságának megırzése Nagy hıteljesítmény-sőrőség és magas hımérsékletek a főtıelemekben Hıfeszültségek megelızése Megkövetelt tulajdonság Sugárkárosodással szembeni ellenállás, jó sugártőrés Az üzemanyag és a burkolatanyag összeférhetısége (kompatibilitása) Kis hıtágulási tényezı Jó hıvezetési tényezı
A felhasznált anyagokkal szemben támasztott követelmények Speciális követelmények (atomerımővek esetében) Igénybevétel, követelmény Kismértékő hatás a neutronháztartásra (sokszorozási tényezıre) Gyenge aktiválódás Hatásos szabályozás Hatékony moderálás Megkövetelt tulajdonság Kicsi neutronbefogási hatáskeresztmetszet Alacsony aktiválódási hatáskeresztmetszet, rövid felezési idı, a szerkezeti anyagok tisztasága A szabályozó és biztonságvédelmi rudak elegendıen nagy befogási hatáskeresztmetszete Nagy lassítási erélyesség és makroszkopikus lassítóképesség, nagyon kicsi neutronbefogási hatáskeresztmetszet
A felhasznált anyagokkal szemben támasztott követelmények Komplex követelményrendszer Kompromisszumok Berendezéseként: domináns követelmények (amelyek betartása elsırendő fontosságú)
Anyagszerkezeti alapok Szerkezeti anyagok: fémes vagy nemfémes anyagok Fémek: ~ 70 elem Nemfémes anyagok: kerámiák, polimerek, stb. Atomerımőben a fémek és fémötvözetek dominálnak Fémek: kristályos szerkezet. Elemi cella (rácselem), térrács Nemfémes kristályok (pl. gyémánt, korund) Fémek és nemfémes kristályok közötti különbség: villamos és hıvezetıképesség Kristályos anyagok, amorf anyagok
Anyagszerkezeti alapok Az atomok közötti kapcsolat és a térrácson belül fellépı erık tanulmányozása: szilárdtestfizika A fémek mőszaki célú alkalmazásainak vizsgálata: metallográfia Fémek szilárdsága: a szilárdtestfizikai elméleti számításokkal és a kísérletileg meghatározott értékek különbsége rácsrendezetlenségek feltételezése (a megállapítás igaznak bizonyult mind fémes, mind nemfémes kristályszerkezetekre)
Anyagszerkezeti alapok A szerkezeti anyagok tulajdonságát alapvetıen a kristályszerkezet és az atomok (ionok) közötti kémiai kötés befolyásolja. Erıs (primer) kötések: kovalens, ionos és fémes kötés Gyenge (szekunder) kötések: van der Waals-erık Erıs kötések közös jellemzıje: az atomok lezárt (telített) külsı elektronhéjra tesznek szert
Anyagszerkezeti alapok Kovalens kötés: két vagy több atom között megoszló elektronok a kötıelektronok meghatározott pályán mozognak az atomok megfelelı kölcsönös helyzete esetén valósul meg kötési szög (igen nehezen változtatható meg) gyémánt Ionos kötés: ellentétes töltéső ionok jönnek létre (elektronátadással) elektrosztatikus erıhatás tartja össze a kristályt kevésbé kemény kristályok Fémes kötés: a kötıelektronok az atomok összességéhez tartoznak közel homogén negatív töltéső teret alkotnak majdnem szabadon mozognak az anyag belsejében: jó villamos vezetıképesség
Anyagszerkezeti alapok Fizikailag tiszta állapotú kovalens kötéső fémek (pl. Si és Ge) szigetelık Ha néhány atomot az alapfém atomjával nem azonos vegyértékő atom (szennyezı) helyettesít: a többletelektronok vagy a hiányzó elektronok elmozdítható elektromos töltést hoznak létre: a kristály félvezetıvé válik Van der Walls-kötés: a molekulák közötti állandó vagy idıleges elektromos dipólusok vonzása hozza létre
Miller-indexek Kristálytani alapok Néhány kristálysík és Miller-indexeik
Kristálytani alapok Bravais-rácsok 7 kristályrendszer köbös tetragonális ortorombos romboéderes hexagonális (hatszöges) monoklin (egyhajlású) triklin (háromhajlású) 14 különbözı elemi cella
A Bravais-rácsok elemi cellái
Kristálytani alapok A kristályrács jellemzésére szolgáló legfontosabb adatok Koordinációs szám: valamely atom legközelebbi szomszédjainak száma Atomátmérı: azzal a feltételezéssel számított átmérı, hogy a merev gömbök a legsőrőbb illeszkedéső irányok mentén érintik egymást Rácsállandó: az elemi cella élhosszúsága (10-7 cm nagyságrendő) Térkitöltés: az elemi cellában gömböknek feltételezett atomok által kitöltött térfogatnak és a cella térfogatának a hányadosa A kristály legnagyobb hézagainak nagysága: az érintkezı atomok hézagaiba helyezhetı legnagyobb gömb átmérıje Az elemi cellába foglalt atomok száma A legszorosabb illeszkedési sík és arány
Kristálytani alapok Leggyakrabban elıforduló kristályszerkezetek: köbös hexagonális Köbös szerkezetek: egyszerően köbös (egyedül a polónium ilyen) térben középpontos köbös felületen középpontos köbös Hexagonális szerkezetek: Legszorosabb illeszkedés esetén koordinációs szám: 12 térkitöltés: 0,74 Egyszerő hexagonális szerkezetek térkitöltése kisebb Allotróp módosulatok: sok fém szerkezete megváltozik bizonyos hımérsékleten
Kristálytani alapok A térrácsban lévı atomok állandó rezgımozgást végeznek súlypontjuk (minimális energiájú helyük) körül Rezgımozgás frekvenciája: 10 13 s -1 nagyságrendő Rezgés amplitúdója: a rácsállandó néhány százaléka Az amplitúdó nı a hımérséklet növekedésével A rácsállandó mindig nagyobb a valós atomátmérınél
Kristálytani alapok Krisztallit: kristályszemcse, a kristály véges növekedésének eredménye belül: szabályos kristály a határán néhány atomtávolságnyi szélességben szabálytalan szerkezet (rácsrendezetlenség) belül és a szemcsehatáron eltérı tulajdonságok Polikrisztallin (polikristályos anyag): sok krisztallinból álló szerkezet A krisztallitok mérete függ a hőtés sebességétıl Minél gyorsabb a hőtés, annál több kismérető krisztallitból fog állni a polikrisztallin.
Kristálytani alapok Az ötvözetek rácsszerkezetében az alapfém atomjain kívül más fémek atomjai is helyet foglalnak Kétalkotós (binér) és háromalkotós (ternér) ötvözetek Az ötvözetek egy része: szilárdoldat Interszticiós (közbeékelıdı) szilárdoldat: az oldódó fém atomjai az oldó fém térrácsának hézagaiban helyezkednek el (csak kis sugarú atomok H, C, N O oldhatók így) Szubsztitúciós (helyettesítı) szilárdoldat: az oldódó fém atomjai a rácsban helyettesítik az oldó fém atomjait (csak azonos rácsszerkezető, közel azonos mérető és hasonló elektrokémiai potenciálú atomoknál jöhet szóba) A fémek között a szubsztitúciós szilárdoldat jóval gyakoribb az interszticiósnál.
Kristályhibák A kristályt alkotó atomok tulajdonságai és a szabályos szerkezet figyelembevételével elméletileg kiszámítható a kristályok szilárdsága Az elméletileg kapott értékek 1-2 nagyságrenddel nagyobbnak adódtak a valóságban észlelt szilárdságnál Orowan és Polányi arra következtetett, hogy az egykristályokban is rácsrendezetlenségnek kell lenniük. A fémek képlékeny alakváltozása sem írható le a rácsrendezetlenség feltételezése nélkül Rácsrendezetlenség: az 1930-as években csak feltételezés, azóta kísérletileg is igazolták, sıt elektromikroszkóppal láthatóvá is tették ıket. Utóbbi évtizedek: sikerült közel tökéletes rácsú kristályokat is elıállítani. Ezek szilárdsági adatai közel azonosak az elméletileg számított értékekkel.
Kristályhibák Fémek szerkezetérzékeny sajátosságai: szilárdsági és alakváltozási tulajdonságok Szerkezetérzéketlen sajátosságok (a rácshibák csak igen kevéssé vagy egyáltalán nem befolyásolják és tökéletes rács feltételezésével elméletileg is meghatározhatók) fajhı hıtágulási együttható hıvezetıképesség villamos-vezetıképesség
Kristályhibák Rácsrendezetlenségek fı csoportjai: pontszerő rácshibák vonalszerő rácshibák felületi vagy térbeli rácshibák Pontszerő rácshibák tipikus esetei: intersztíciós ponthibák Schottky-féle rácshibák Frenkel-féle rácshibák
Kristályhibák Intersztíciós ponthibák: többletatomok helyezkednek el az egyébként szabályos kristályrács rácspontközi helyein a beékelıdı atomok lehetnek idegen atomok vagy a rács atomjaival azonos típusúak rácstorzulás lép fel, az atomsíkok elgörbülnek
Kristályhibák Schottky-féle rácshiba: atomok hiányoznak a rácspontokból (üres rácshelyek vannak a kristályban) ilyen hibák tisztán termikus okokból jöhetnek létre (a hı okozta rezgések hatására) az üres rácshelyek száma nı a hımérséklet növekedésével a kimozdult atom a felületre diffundálhat rácstorzulás jön létre
Kristályhibák Frenkel-féle rácshiba: valamely atom helyérıl kimozdulva intersztíciós helyzetbe kerül (kialakuls egy üres rácshely interszticiós atom páros) Kialakulása igen nagy energiát igényel, így tisztán termikus okokból nem nagyon jöhet létre tipikus kialakulás: nagy energiájú részecskék (pl. gyorsneutronok) hatására rácstorzulás jön létre
Kristályhibák A pontszerő rácshibákkal egyedül nem magyarázható meg az ideális és a valóságos rács szilárdsága és alakíthatósága közötti különbség Az ellentmondás feloldása: vonalmenti rácshibák (diszlokációk) Fajtái: éldiszlokáció csavardiszlokáció
Kristályhibák Éldiszlokáció Extrasík Diszlokáció elıjele
Kristályhibák Csavardiszlokáció
Kristályhibák Burgers-kör és Burgers-vektor
Kristályhibák Felületszerő rácshibák: a valóságban térbeliek, csupán a hibák mérete néhány atomrácstávolságra terjed ki. A rendezetlen rácsú felület energiája csökken, ha ahhoz új atomok kapcsolódnak: a korrózió a rendezetlen tartományokat könnyebben megtámadja, mint a rendezetteket
Kristályhibák Szemcsehatár menti (felületszerő) hibák a polikrisztallinon belül Az orientáció hibája (a különbözı kristálymagok körül meginduló kristályosodás miatt)
Diszlokációk mozgása (csúszása) Kristályhibák
Kristályhibák Diszlokációk vándorlása (vagy mászása) Az atomok külsı erı nélküli mozgásával (diffúziójával) kapcsolatos Annál könnyebben valósul meg, minél nagyobb a hımérséklet Ez az alapja a megújulásnak Izzítás, kilágyulás Újrakristályosodás. A nyújtott krisztallitok helyett ismét ún. poligonális szerkezető új krisztallitok keletkeznek. Poligonizáció során az azonos elıjelő diszlokációk egymás alá kerülnek: kisebb energiájú helyzet jön létre
Kristályhibák Poligonizáció (szubszemcsehatár kialakulása)