Himičeskaâ fizikaHimičeskaâ fizikaХимическая физика0207-401XThe Russian Academy of Sciences68654710.31857/S0207401X25060051Химическая физика экологических процессовResearch ArticleMicrostructure of Ferritic-Martensitic Steel Irradiated by Krypton IonsМикроструктура ферритно-мартенситной стали, имплантированной ионами криптонаStaltsovM. S.СтальцовМ. С.
Russian Federation
i_chernov@mail.ruChernovI. I.ЧерновИ. И.
Russian Federation
i_chernov@mail.ruDikovA. S.ДиковА. С.
Kazakhstan
i_chernov@mail.ruDikovaL. A.ДиковаЛ. А.
Kazakhstan
i_chernov@mail.ruAkaevS. O.АкаевС. О.
Kazakhstan
i_chernov@mail.ruMEPhI National Research Nuclear UniversityНациональный исследовательский ядерный университет “МИФИ”Institute of Nuclear Physics of the Republic of KazakhstanИнститут ядерной физики Республики Казахстан0406202544667740207202502072025Copyright ©; 2025, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2025, Российская академия наук2025Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://transsyst.ru/0207-401X/article/view/686547

The results of the microstructure development study of ferritic/martensitic steel of the 12Cr type are presented. The steel samples were irradiated at 350 °С by 300 keV 84Kr15+ ions up to a fluence of 1 ∙1021 m-2 in a vacuum of about 7 ⋅ 10-4 Pa. The experiment was carried out in relation to the storage of spent nuclear fuel for conditions of gaseous fission products introduction into the fuel cladding. It has been established that krypton implantation develops approximately the same microstructure regardless of the initial state of the sample (conventional heat treatment, namely – normalization followed by high tempering, or annealing at 350 °C for 70 h). Gas porosity is formed in the steel, the features of its development are studied by the depth of the path of the introduced ions using cutting out of TEM objects perpendicular to the irradiated surface. The steel surface is strongly oxidized during irradiation, apparently due to the ballistic effect (“driving” of oxygen atoms into the sample by bombarded ions due to insufficiently vacuum in the target area), since the non-irradiated side of the sample did not oxidize when held for 70 h at 350 °С during irradiation of first side. Based on the experimental results obtained, it was concluded that during storage of spent nuclear fuel under standard conditions stresses should not arise in the cladding of spent fuel rods due to gas swelling.

Приведены результаты исследования развития микроструктуры ферритно-мартенситной стали типа Х12, облученной в вакууме около 7 ⋅ 10-4 Па ионами 84Kr15+ с энергией 300 кэВ до флюенса 1 ∙ 1021 м-2 при 350 °С. Эксперимент проведен применительно к хранению отработавшего ядерного топлива (ОЯТ), в оболочку твэла которого были внедрены газообразные продукты деления. Установлено, что независимо от исходного состояния образца (штатная термообработка – нормализация с последующим высоким отпуском либо отжиг при 350 °С в течение 70 ч после штатной термообработки) при имплантации криптона развивается примерно одинаковая микроструктура – формируется газовая пористость, особенности развития которой изучены вдоль пробега внедряемых ионов (атомов) путем вырезания фольг для просвечивающего электронного микроскопа перпендикулярно облученной поверхности. Обнаружено окисление поверхности стали в процессе облучения вследствие баллистического эффекта (“вбивание” атомов кислорода в образец налетающими ионами вследствие недостаточно глубокого вакуума в области мишени), поскольку необлученная сторона образца при выдержке в течение 70 ч при 350 °С не окислилась. Оценка степени максимального газового распухания в облученном слое показала, что она не превышает 0.5%. На основании полученных экспериментальных результатов сделан вывод о том, что при хранении ОЯТ в штатных условиях не должны возникать значимые напряжения в оболочках отработавших твэлов за счет газового распухания.

spent nuclear fuelgaseous fission productsfuel element claddingmicrostructuregas porositygas swellingотработавшее ядерное топливогазообразные продукты деленияоболочка твэламикроструктурагазовая пористостьгазовое распуханиеМинистерство энергетики Республики КазахстанMinistry of Energy of the Republic of KazakhstanBR23891530Kalin B.A., Platonov P.A., Tuzov Yu.V. et al. Physical Materials Science. V. 6. Structural Materials for Nuclear Engineering. M.: Publ. House of NRNU MEPhI, 2021.Калин Б.А., Платонов П.А., Тузов Ю.В. и др. Физическое материаловедение. Т. 6. Конструкционные материалы ядерной техники. М.: Изд-во НИЯУ МИФИ, 2021.Séran J.-L., Le Flem M. // Structural Materials for Generation IV Nuclear Reactors / Ed. Yvon P. Elsevier, 2020. P. 285.Séran J.-L., Le Flem M. // Structural Materials for Generation IV Nuclear Reactors / Ed. Yvon P. Elsevier, 2020. Р. 285.Adamov E.O., Arutyunyan R.V., Bolshov L.A. et al. White Book of Nuclear Power. Closed NFC with Fast Reactors / Ed. Adamov E.O. M.: Publ. House of JSC NIKIET, 2020.Адамов Е.О., Арутюнян Р.В., Большов Л.А. и др. Белая книга ядерной энергетики. Замкнутый ЯТЦ с быстрыми реакторами / Под общ. ред. Адамова Е.О. М.: Изд-во АО НИКИЭТ, 2020.Mitrofanova N.M., Tselishchev A.V., Ageev V.S. et al. // Izv. vuzov. Yadernaya Energetika. 2011. № 1. P. 211.Митрофанова Н.М., Целищев А.В., Агеев В.С. и др. // Изв. вузов. Ядерная энергетика. 2011. № 1. С. 211.Tselishchev A.V., Ageev V.S., Budanov Yu.P. et al. // Atomnaya Energiya. 2010. V. 108. Issue 4. P. 217.Целищев А.В., Агеев В.С., Буданов Ю.П. и др. // Атомная энергия. 2010. Т. 108. Вып. 4. С. 217.Poplavskiy V.M., Tsybulya A.M., Khomyakov Yu.S. et al. // Ibid. 2010. V. 108. Issue 4. P. 206.Поплавский В.М., Цибуля А.М., Хомяков Ю.С. и др. // Там же. 2010. Т. 108. Вып. 4. С. 206.Litovchenko I.Yu., Polekhina N.A., Tyumentsev A.N. et al. // J. Nucl. Mater. 2014. V. 455. P. 665.Litovchenko I.Yu., Polekhina N.A., Tyumentsev A.N. et al. // J. Nucl. Mater. 2014. V. 455. Р. 665.Chernov V.M., Leontyeva-Smirnova M.V., Mozhanov E.M. et al. // ZhTF. 2016. V. 86. Issue 2. P. 53.Чернов В.М., Леонтьева-Смирнова М.В., Можанов Е.М. и др. // ЖТФ. 2016. Т. 86. Вып. 2. С. 53.Leontyeva-Smirnova M.V., Agafonov A.N., Yermolaev G.N. et al. // Perspektivnye Materialy. 2006. № 6. P. 40.Леонтьева-Смирнова М.В., Агафонов А.Н., Ермолаев Г.Н. и др. // Перспективные материалы. 2006. № 6. С. 40.Panin A.V., Chernov V.M., Leontieva-Smirnova M.V., Melnikova E.A. // J. Nucl. Mater. 2009. V. 386–388. P. 466.Panin A.V., Chernov V.M., Leontieva-Smirnova M.V., Melnikova E.A. // J. Nucl. Mater. 2009. V. 386−388. P. 466.Ioltukhovskiy A.G., Velyukhanov V.P., Zelenskiy G.K. et al. Low-activating, corrosion- and radiation-resistant chromium steel: Patent RU 2 325 459 C2 RF // B.I. 2008. № 15.Иолтуховский А.Г., Велюханов В.П., Зеленский Г.К. и др. Малоактивируемая коррозионно-стойкая и радиационно-стойкая хромистая сталь: Патент RU 2 325 459 C2 РФ // Б.И. 2008. № 15.Amangeldy N., Burtebayev N., Bugybayev E. et al. // Vestn. NNC RK. 2009. Issue 4. P. 15.Амангелды Н.‚ Буртебаев Н.‚ Бугыбаев Е. и др. // Вестн. НЯЦ РК. 2009. Вып. 4. С. 15.Utke I., Hoffmann P., Melngailis J. // J. Vacuum Science and Technology. Ser. B. 2008. V. 26. № 4. P. 1197.Utke I., Hoffmann P., Melngailis J. // J. Vacuum Science and Technology. Ser. B. 2008. V. 26. № 4. Р. 1197.Staltsov M.S., Chernov I.I., Kalin B.A. Helium in Structural Materials of Nuclear and Thermonuclear Reactors: Educational-methodical manual. M.: Publ. House of NRNU MEPhI, 2021.Стальцов М.С., Чернов И.И., Калин Б.А. Гелий в конструкционных материалах ядерных и термоядерных реакторов: Уч.-метод. пособие. М.: Изд-во НИЯУ МИФИ, 2021.Zelenskij V.F., Nekludov I.M., Ruzhitskij V.V. et al. // J. Nucl. Mater. 1987. V. 151. P. 22.Was G.S., Wharry J.P., Wirth B.D., Frisbie B. // Ibid. 2011. V. 411. P. 41.Pechenkin V.A., Chernova A.D., Molodtsov V.L. et al. // Atomnaya Energiya. 2014. V. 116. Issue 5. P. 251.Печенкин В.А., Чернова А.Д., Молодцов В.Л. и др. // Атомная энергия. 2014. Т. 116. Вып. 5. С. 251.Staltsov M.S., Chernov I.I., Dikov A.S., Ivanov I.A. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B. 2021. V. 491. P. 59.Staltsov M.S, Chernov I.I., Dikov A.S., Ivanov I.A. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B. 2021. V. 491. P. 59.Staltsov M.S., Chernov I.I., Dikov A.S. et al. // Proc. of the XXXI Int. Conf. “Radiation Physics of Solid State”. M.: Publ. House of FSBSI “NIIPMT”, 2021. P. 33.Стальцов М.С., Чернов И.И., Диков А.С. и др. // Докл. XXXI Междунар. конф. “Радиационная физика твердого тела”. М.: Изд-во ФГБНУ “НИИ ПМТ”, 2021. С. 33.Reshetnikov F.G., Bibilashvili Yu.K., Golovin I.S. et al. Development, Production and Operation of Fuel Elements for Power Reactors. M.: Energoatomizdat, 1995. Pt. 1.Решетников Ф.Г., Бибилашвили Ю.К, Головин И.С. и др. Разработка, производство и эксплуатация тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. М.: Энергоатомиздат, 1995. Ч. 1.