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
Megkövetelt tulajdonság
Statikus és dinamikus igénybevétel
szívósság
A mechanikai jellemzık nagy hımérsékleten sem változhatnak a megengedettnél nagyobb mértékben
melegszilárdság
Hosszú idejő rezgési igénybevétel
kifáradással szembeni ellenállóság
Hőtıközeg korróziós, eróziós hatása
jó korrózió- és erózióállóság
A felhasznált anyagokkal szemben támasztott követelmények Speciális követelmények (atomerımővek esetében) Igénybevétel, követelmény
Megkövetelt tulajdonság
Különbözı fajtájú sugárzások Főtıelemek: 3-5 év Reaktortartály: 30-50 év
Sugárkárosodással szembeni ellenállás, jó sugártőrés
Főtıelemek hermetikusságának megırzése
Az üzemanyag és a burkolatanyag összeférhetısége (kompatibilitása)
Nagy hıteljesítmény-sőrőség és magas hımérsékletek a főtıelemekben
Kis hıtágulási tényezı
Hıfeszültségek megelızése
Jó hıvezetési tényezı
A felhasznált anyagokkal szemben támasztott követelmények Speciális követelmények (atomerımővek esetében) Igénybevétel, követelmény
Megkövetelt tulajdonság
Kismértékő hatás a neutronháztartásra (sokszorozási tényezıre)
Kicsi neutronbefogási hatáskeresztmetszet
Gyenge aktiválódás
Alacsony aktiválódási hatáskeresztmetszet, rövid felezési idı, a szerkezeti anyagok tisztasága
Hatásos szabályozás
A szabályozó és biztonságvédelmi rudak elegendıen nagy befogási hatáskeresztmetszete
Hatékony moderálás
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 rácsrendezetlenségek feltételezése különbsége (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
Kristálytani alapok • Miller-indexek
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: 1013 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)
Kristályhibák • Diszlokációk mozgása (csúszása)
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)
