Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ТЕХНЕЦИЯ И СПЛАВОВ Tc-Ru РЕАКТОРНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

Рисованый В.Д. 1 Пичужкина Е.М. 1 Покровский А.С. 1 Бутылин А.С. 1
1 ГНЦ НИИАР
В рамках работ по изучению трансмутации радиоактивного отхода Tc-99 исследованы температуропроводность и теплопроводность реакторной мишени из металлического технеция, а также сплавов Tc- Ru с различным содержанием рутения, которые были получены в результате облучения металлического Тс в высокопоточном реакторе СМ-3 (Димитровград, Россия). Измерена плотность полученных образцов. Установлено влияние текстуры образцов на их теплофизические свойства. Установлено, что для сплавов Tc-Ru реакторного происхождения происходит рост значения теплопроводности с увеличением температуры. В то же время увеличения теплопроводности с ростом содержания рутения (ростом накопленной дозы) в сплавах реакторного происхождения не наблюдается (в отличие от сплавов Tc-Ru, полученных простым сплавлением компонентов), что, по-видимому, связано с увеличением концентрации радиационных дефектов в образцах сплавов.
технеций
рутений
сплав
температуропроводность
теплопроводность
1. Тарасов B.А., Романов Е.Г., Топоров Ю.Г. и др. Трансмутация 99Тс и получение искусственного стабильного рутения. I. Трансмутация металлического 99Tc в высокопоточном реакторе СМ // Радиохимия. – 2007. – т.49, № 3. – С. 255–257.
2. Зиновьев В.Е. Теплофизические свойства металлов при высоких температурах: справочное издание. – М.: Металлургия, 1989. – 384 с.
3. Пичужкина Е.М., Рисованый В.Д., Покровский А.С., Бутылин А.С. Температуропроводность и теплопроводность металлического технеция и сплавов Tc-Ru реакторного происхождения // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – 2013. – т. 15, № 4(5). – С. 1091–1094.
4. Томилин С.В., Радченко В.М., Ротманов К.В. и др. Трансмутация Tc-99 и получение искусственного стабильного рутения. II. Исследование сплавов Tc-Ru, полученных при облучении металлического технеция // Радиохимия. – 2007. – т. 49, № 6. – С. 546–550.
5. Minato K., Shirasu Y. // Proc. 5th Information Exchange Meeting on Actinide and Fission Product Partitioning and Transmutation, Mol, Belgium, 25-27 November 1998, р. 223–230.

С целью обезвреживания долгоживущего радиоактивного отхода 99Tc мишень из металлического технеция подвергается трансмутации в ядерном реакторе под действием интенсивного потока нейтронов. При облучении в потоке нейтронов из 99Tc в результате β-распада образуется рутений, который растворяется в матрице металлического технеция, образуя сплавы (твердые растворы) Tc-Ru с различной концентрацией рутения в зависимости от накопленной дозы.

Важные характеристики мишени, необходимые как для нейтронно-физических расчетов мишени, так и для обеспечения ресурса ее работоспособности в процессе облучения – ее теплофизические свойства: температуропроводность и теплопроводность. В работе [3] приведены первичные результаты исследования данных свойств для мишеней из металлического технеция, а также для сплавов Tc-Ru с различным содержанием рутения, полученных в результате облучения этих мишеней в реакторе СМ. В настоящей работе данные исследования продолжены.

Материалы и методы исследований

Металлический технеций для исследований был получен из отходов от переработки облучённого топлива. Порошок металлического технеция был проплавлен и прокатан в фольгу, затем из фольги вырезались образцы в виде дисков, которые в дальнейшем использовались в настоящей работе в качестве мишеней для облучения в реакторе. Химическая чистота технеция составила 99,99 %.

Облучение проводилось в нейтронной ловушке и в ближайшем к активной зоне канале отражателя реактора СМ-3 [1]. Загруженные в реактор СМ-3 образцы, помещенные в специально изготовленные облучательные устройства, представляли собой диски диаметром 6 мм и толщиной 0,3 мм. Мишени выгружались из реактора партиями при достижении расчётного выгорания. В результате облучения были получены образцы с содержанием рутения 19 (2), 45 (3) и 70 (5) % (содержание рутения определено спектрофотометрическим и эмиссионно-спектральным методами [4]).

Температуропроводность образцов в области температур 20–500 °С измеряли на исследовательской установке с использованием импульсного метода Паркера. Короткий (длительность 1,3 мс) высокоинтенсивный световой импульс от лампы направлялся на фронтальную поверхность плоского образца, а температурный отклик обратной поверхности образца регистрировался термоэлектрическим преобразователем. Температурный отклик усиливался и передавался на экран цифрового запоминающего осциллографа. С изображения сигнала, с учетом времени развертки, получали показания времени нагрева образца до половины максимальной температуры, а затем проводили расчет температуропроводности образца по следующей формуле:

а = (1,38∙h2)/(π2∙τ1/2), (1)

где а – температуропроводность, см2/с; h – толщина образца, см; τ1/2 – время, необходимое для нагрева обратной стороны образца до половины максимальной температуры, с; 1,38 – безразмерный коэффициент.

При этом относительная погрешность измерения температуропроводности в диапазоне (0,2–70)∙10–6 м2/с при числе результатов наблюдений n = 5, доверительной вероятности Р = 0,95 и температуре образца 20–900 °С не превышала ±5 %.

Значение теплопроводности исследованных образцов определялось расчетным путем с учетом величин их температуропроводности, теплоемкости и плотности согласно формуле

λ = a∙ρ∙Ср, (2)

где a – температуропроводность образца; ρ – его плотность; Ср – удельная теплоемкость.

Удельная теплоемкость определялась по правилу Неймана – Коппа:

р(АmBn) = р(A) + р(B), (3)

где Ср(АmBn) - теплоемкость сплава АmBn; Ср(A) - теплоемкость компонента А; Ср(В) - теплоемкость компонента В; m, n - весовые концентрации компонентов в сплаве.

Величины удельных теплоемкостей технеция и рутения в зависимости от температуры взяты из работы [2].

Плотность образцов определяли экспериментально методом гидростатического взвешивания. Ошибка определения плотности данным методом составила не более 1 %.

Плотность была также определена из полученных ранее [4] рентгенографических данных (рентгеновская или теоретическая плотность) по формуле

risov01.wmf (4)

где m (эл. яч) – масса элементарной ячейки для Tc и сплавов Tc-Ru; V (эл. яч) – объем элементарной ячейки для Tc и сплавов Tc-Ru.

При этом ошибка определения составила не более 0,2 %.

Результаты исследования и их обсуждение

Полученные зависимости температуропроводности от температуры для образцов Tc и сплавов Tc-Ru, образующихся в результате облучения мишеней из технеция в реакторе, приведены на рис. 1. Установлено, что температуропроводность изученных сплавов практически одинакова и лежит в интервале (0,93–1,16)∙10–5 м2/с. Температуропроводность исследованных образцов технеция – (0,83–1,09)∙10–5 м2/с [1]. Зависимости теплопроводности от температуры для образцов Tc и сплавов Tc-Ru приведены на рис. 2. Теплопроводность изученных сплавов лежит в интервале 23–36 Вт/(м∙К), образцов технеция – 21–28 Вт/(м∙К) [3].

pic_36.wmf

Рис. 1. Зависимости температуропроводности от температуры для образцов Tc и сплавов Tc-Ru: 1.wmf – металлический технеций; 2.wmf – Tc-19 %Ru; 3.wmf – Tc-70 %Ru

pic_37.wmf

Рис. 2. Зависимости теплопроводности от температуры для образцов Tc и сплавов Tc-Ru: 1.wmf – металлический технеций; 2.wmf – Tc-19 %Ru; 3.wmf – Tc-70 %Ru

Плотность образцов, определенная методом гидростатического взвешивания оказалась близкой к теоретической, определенной из рентгеновских данных (рис. 3). Это указывает на отсутствие значимой пористости (что подтверждено структурными исследованиями (см. предыдущую статью)) и значимого количества примесей в образцах сплавов.

pic_38.wmf

Рис. 3. Зависимость плотности образцов сплавов Tc-Ru от содержания рутения: 4.wmf – теоретическая (рентгеновская) плотность; 5.wmf – гидростатическая плотность

На рис. 4 приведены зависимости теплопроводности от температуры для образцов металлического технеция и сплавов Tc-Ru, полученных металлургическими методами, из работы [5] и результаты настоящей работы. Авторы работы [5] проводили внереакторные исследования образцов металлического технеция и сплавов Tc-25 %Ru, Tc-50 %Ru, Tc-75 %Ru, полученных простым сплавлением компонентов в атмосфере чистого аргона с последующим гомогенизирующим отжигом.

В исследованной температурной области зависимости идентичны (рис. 4). Для исходной мишени из металлического технеция теплопроводность несколько уменьшается с ростом температуры. Минимум значений находится при температуре примерно 400 К в [5] и при 570 К в нашем исследовании, затем возрастает до прежних значений.

pic_39.wmf

Рис. 4. Зависимость теплопроводности от температуры для образцов Tc и сплавов Tc-Ru: 6.wmf – металлический технеций, данные работы [5]; 7.wmf – Tc-25 %Ru, данные работы [5]; 8.wmf – Tc-50 %Ru, данные работы [5]; 9.wmf – Tc-75 %Ru, данные работы [5]; 10.wmf – металлический рутений, данные работы [5]; 1.wmf – металлический технеций, данные настоящей работы; 2.wmf – Tc-19 %Ru, данные настоящей работы; 3.wmf – Tc-70 %Ru, данные настоящей работы

Для сплавов Tc-Ru теплопроводность растет с увеличением температуры (рис. 4). Однако для сплавов из [5] имеет место увеличение теплопроводности с ростом содержания в них рутения, в нашем же случае в образцах, подвергшихся облучению, данного эффекта не наблюдается (рис. 4).

Значения теплопроводности для Tc и сплавов Tc-Ru близкого состава из [5] превышают полученные нами значения: в 2,1–2,3 раза для Tc; в 1,7 раза, если сравнить, например, сплав Tc-25 %Ru в [5] и Tc-19 %Ru в данном исследовании; в 2,2–2,3 раза, если сравнить данные Tc-75 %Ru, полученные в работе [5], и полученные результаты в проведенных нами исследованиях сплава Tc-70 %Ru реакторного происхождения.

Эти различия могут быть объяснены несколькими причинами.

Во-первых, по-видимому, это связано с анизотропией свойств наших образцов из-за их текстурированности, которая является следствием способа изготовления исходных мишеней из технеция – прокатки (см. предыдущую статью), в то время как в работе [5] проводились исследования изотропных нетекстурированных образцов.

Наличие текстуры приводит к тому, что зерна в сплавах в нашем случае ориентированы не хаотично, а располагаются так, что вдоль плоскости прокатки (плоскости образца) лежат кристаллографические плоскости [0001] некоторого количества кристаллов, составляющих поликристалл. Поликристаллические материалы становятся анизотропными, так как нарушается хаотическая ориентировка кристаллов, которая определяла одинаковое среднестатистическое значение свойств в любом направлении.

Таким образом, поскольку температуропроводность в нашем случае измерялась в направлении нормали к поверхности образцов-дисков, плоскости более плотной упаковки атомов в ГПУ-решетке технеция и сплавов Tc-Ru (базисные плоскости [0001]) из-за текстурированности оказались преимущественно расположенными поперек направления измерения, а плоскости с меньшей плотностью упаковки (призматические) – вдоль направления измерений. Поэтому скорость передачи светового импульса в нашем случае ниже, отсюда и заниженное, по сравнению с [5], значение температуропроводности, а следовательно и теплопроводности.

Во-вторых, для облученных образцов, очевидно, имеет место влияние на теплопроводность дефектов, образовавшихся под действием облучения.

Теплопроводность твердых тел в подавляющем большинстве случаев обусловлена двумя механизмами: движением электронов проводимости (электронная теплопроводность) и тепловыми колебаниями атомов решетки (фононная теплопроводность). В металлах доминирует первый механизм. Поэтому в облученных в реакторе образцах – сплавах Tc-Ru заниженное по сравнению с [5] значение теплопроводности связано, по-видимому, еще и с рассеянием электронов на радиационных дефектах, образовавшихся под воздействием облучения. Этим обусловлено, по-видимому, и отсутствие изменения теплопроводности с ростом содержания рутения в облученных образцах (теплопроводность примерно одинакова для сплавов Tc-19 %Ru и Tc-70 %Ru (рис. 4)), поскольку с увеличением дозы облучения растет и число дефектов в сплавах.

Заключение

Проведено исследование теплофизических свойств – температуропроводности и теплопроводности – образцов металлического технеция, а также сплавов Tc-Ru с различным содержанием рутения, полученных в результате облучения мишеней из металлического технеция в реакторе, определена их плотность.

Установлено отсутствие значимой пористости и значимого количества примесей в образцах сплавов. Установлено влияние текстуры образцов на их теплофизические свойства. Показано, что для сплавов Tc-Ru реакторного происхождения происходит рост значения теплопроводности с увеличением температуры. В то же время увеличения теплопроводности с ростом содержания рутения (ростом накопленной дозы) в сплавах реакторного происхождения не наблюдается (в отличие от сплавов Tc-Ru, полученных простым сплавлением компонентов), что, по-видимому, связано с увеличением концентрации радиационных дефектов в образцах сплавов.

Полученные данные по теплофизическим свойствам образцов сплавов Tc-Ru позволяют проводить нейтронно-физические расчеты для обеспечения безопасности и времени облучения в ядерном реакторе до получения требуемых накоплений рутения.

Рецензенты:

Клочков Е.П., д.т.н., профессор, главный научный сотрудник, ГНЦ «Научно-исследовательский институт атомных реакторов», г. Димитровград-10;

Косенков В.М., д.т.н., профессор, ведущий научный сотрудник ГНЦ «Научно-исследовательский институт атомных реакторов», г. Димитровград-10.

Работа поступила в редакцию 26.08.2014.


Библиографическая ссылка

Рисованый В.Д., Пичужкина Е.М., Покровский А.С., Бутылин А.С. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ТЕХНЕЦИЯ И СПЛАВОВ Tc-Ru РЕАКТОРНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 9-9. – С. 1977-1981;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=35172 (дата обращения: 10.12.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074