Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Москва, Россия:

М. С. Стальцов, доцент каф. «Физические проблемы материаловедения», канд. физ.-мат. наук
И. И. Чернов, профессор отделения ядерной физики и технологий офиса образовательных программ, докт. физ.-мат. наук, профессор, эл. почта: i_chernov@mail.ru

Представлена вторая часть обзора в трех частях об изучении влияния легирующих элементов на поведение гелия, водорода, особенности развития газовой пористости, количество удерживаемого водорода в сплавах ванадия с Ti, Cr, W и Ta. Приведены результаты исследования микроструктуры двойных и тройных сплавов ванадия «малоактивируемых» составов, облученных ионами гелия при 650 ^оС. Показано, что вольфрам как легирующий элемент существенно увеличивает размеры формирующихся пузырьков и, соответственно, газовое распухание сплавов. Добавление в двойной сплав V – 2 % W тантала снижает распухание, а пузырьки минимального размера развиваются в сплавах V – Zr и V – Ti и они же подвержены наименьшему распуханию. В исследованиях удержания водорода в сплавах ванадия при последовательном облучении ионами гелия и водорода установлено, что предварительное облучение Не⁺ при 20 ^оС увеличивает количество удерживаемого водорода при его последующем ионном внедрении, а создание гелиевой пористости после высоко температурного облучения Не⁺ еще больше увеличивает количество удерживаемого водорода. В исследованиях методом термодесорбционной спектроскопии показано, что при облучении в последовательности He⁺ (Т_обл = 650 ^оС) + H+ (Т_обл = 20 ^оС) в сплаве V – 4 % W в 1,4 раза, а в сплаве V — 1 % Zr в 2,2 раза удерживается больше водорода, чем в ванадии. В отличие от сплавов ванадия с Ti, Cr или W в сплавах V – Ta обнаружено формирование значительного количества пузырьков на глубинах до 900 нм, гораздо большего теорети ческого пробега ионов Не⁺ с энергией 40 кэВ (~300 нм). При облучении последовательно ионами Не⁺ с энергией 40 кэВ до флюенса 5·10²⁰ м^–2 при 650 ^оС, затем ионами Ni²⁺ энергией 7,5 МэВ до дозы 100 смещ/ат. при 650 оС на глубинах, значительно превышающих пробег ионов Не⁺, обнаружены гелиевые пузырьки (либо газонаполненные поры), которые отсутствовали при облучении только ионами Ni²⁺.
*Начало см. Цветные металлы. 2022. № 12. С. 65–72.

1. Никулин С. А., Вотинов С. Н., Рожнов А. Б. Ванадиевые сплавы для ядерной энергетики. — М. : Изд. Дом МИСиС, 2014. — 206 с.
2. Калин Б. А., Стальцов М. С., Тищенко А. Г., Чернов И. И. Сплавы ванадия на пороге широкого применения в энергетике // Цветные металлы. 2016. № 11. С. 77–86.
3. Калин Б. А., Платонов П. А., Тузов Ю. В. и др. Физическое материаловедение. Т. 6. Конструкционные материалы ядерной техники : учебник для вузов. — М. : НИЯУ МИФИ, 2021. — 736 с.
4. Колбасов Б. Н., Борисов А. А., Васильев Н. Н. и др. Концепция демонстрационного термоядерного энергетического реактора ДЕМО-С // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термоядерный синтез. 2007. Вып. 4. С. 3–13.
5. Votinov S. N., Kolotushkin V. P., Lyublinskii I. E. et al. Corrosion resistance of vanadium alloys clad by a ferritic corrosion-resistant steel in liquid-metal heat-transfer agents // Russian Metallurgy (Metally). 2009. No. 1. P. 82–87.
6. Klueh R. L., De Van J. H. Effect of oxygen in sodium of vanadium and vanadium-titanium alloys // J. Less-Cmmon Metals. 1970. Vol. 22. P. 389–398.
7. Елисеева О. И. Взаимодействие ванадиевых сплавов с жидким натрием в статических условиях // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термоядерный синтез. 2011. Вып. 2. С. 3–20.
8. Люблинский И. Е., Вертков А. В., Евтихин В. А. и др. Оптимизация легирования сплавов системы V – Ti – Cr // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термоядерный синтез. 2005. Вып. 3. С. 70–78.
9. Чернов И. И., Стальцов М. С. Поведение гелия и водорода в сплавах ванадия — перспективных конструкционных материалах первой стенки термоядерных реакторов: обзор. Часть 1. Сплавы систем V – Ti и V – Fe // Цветные металлы. 2022. № 12. С. 65–72. DOI: 10.17580/tsm.2022.12.09
10. Stal’tsov M. S., Chernov I. I., Aung Kyaw Zaw et al. Gas porosity formation in the vanadium alloys V – W, V – Ta, V – Zr during helium-ion irradiation at 650 oC // Atomic Energy. 2014. Vol. 116, No. 1. Р. 35–41.
11. Chernov I. I., Staltsov M. S., Kalin B. A. et al. Mechanisms of helium porosity formation in vanadium alloys as a function of the chemical composition // Atomic Energy. 2011. Vol. 109, Iss. 3. P. 176–183.
12. Watkin J. S. Dependence of void swelling on the electron vacancy concentration // Proc. of Int. Symp. Irrad. Eff. on the Microstructure and Properties of Metals, May 1976, St. Louis, USA, ASTM STR 611, Phil. 1976. P. 270–283.
13. Jones R. H., Atteridge D. G. A correlation between swelling and the number of bonding d electrons in some iron and nickel alloys // J. of Nuclear Materials. 1977. Vol. 66. P. 329–332.
14. Pinizzotto R. F., Chen L. J., Ardell A. J. Nickel and nitrogen ion irradiation-induced void swelling and defect microstructures in Ni – Al, Ni – Cr and Ni – Ti solid solutions // Metallurgical Transactions A. 1978. Vol. 9, No. 12. P. 1715–1727.
15. Бинюкова С. Ю., Чернов И. И., Калин Б. А. и др. Формирование газовой пористости в сплавах никеля и конструкционной стали при облучении ионами гелия // Атомная энергия. 2002. Т. 93, Вып. 1. С. 32–40.
16. Стальцов М. С., Чернов И. И., Калин Б. А., Гусева Л. Ю. Гелиевая пористость в тройных сплавах V – Ti – Cr, V – W – Ta, V – W – Zr // Труды XXVII Междунар. конф. «Радиационная физика твердого тела», Россия, г. Севастополь, 10–15 июля 2017 г. — М. : Изд-во ФГБНУ «НИИ ПМТ», 2017. С. 187–195.
17. Belyaev A., Staltsov M., Chernov I. et al. Helium porosity formation in vanadium alloys of V – Ti – Cr, V – W – Zr and V – W – Ta systems in comparison with binary alloys // Proc. of 15^th International School-Conference “New materials — Materials of innovative energy: development, characterization methods and application”, KnE Materials Science. 2018. P. 389–398. DOI: 10.18502/kms.v4i1.2189
18. Аунг Чжо Зо, Чернов И. И., Стальцов М. С. и др. Исследование поведения гелия и водорода в ванадиевых сплавах // Цветные металлы. 2014. № 12. С. 12–16.
19. Чернов И. И, Стальцов М. С., Калин Б. А. и др. Некоторые проблемы, связанные с присутствием водорода в реакторных конструкционных материалах // Докл. 11-й Междунар. школы молодых ученых и специалистов им. А. А. Курдюмова «Взаимодействие изотопов водорода с конструкционными материалами» IHISM’16 Junior, 27 июня – 03 июля 2016 г., Петрозаводск. — Саров : Изд-во ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», 2017. С. 156–174.
20. Стальцов М. С., Аунг Чжо Зо, Чернов И. И., Калин Б. А. Развитие микроструктуры и удержание водорода в сплавах ванадия при облучении ионами гелия и водорода // Доклады XXIV Междунар. конф. «Радиационная физика твердого тела», Севастополь, 7 июля – 12 июля 2014 г. С. 311–319.
21. Reed D. J. A review of recent theoretical developments in the understanding of migration of helium in metals and its interaction with lattice defects // Radiation Effects. 1977. Vol. 31, No. 3. P. 129–147.

22. Чернов И. И., Калин Б. А. Радиационные повреждения в металлах, облученных ионами гелия // Атомная техника за рубежом. 1986. № 9. С. 9–19.
23. Гусева М. И., Захаров А. П., Калин Б. А. и др. Электронно-микроскопическое исследование распределения гелия в высоконикелевом сплаве // Атомная энергия. 1982. Т. 52, Вып. 6. C. 401–404.
24. Myers S. М., Besenbacher F., Bettiger J. Deuterium He-implan ted Fe: trapping and the surface permeation barrier // Applied Physics Letters. 1981. Vol. 39. P. 450–452.
25. Binyukova S. Yu., Chernov I. I., Kalin B. A., Than Swe. Effectiveness of helium bubbles as traps for hydrogen // J. of Nuclear Materials. 2007. Vol. 367–370. Part A. P. 500–504.
26. Лучинин В. В., Савенко А. Ю. Наноразмерные ионно-лучевые технологии. Нанотехнология: физика, процессы, диагностика, приборы. — М. : Физматлит, 2006. С. 284–304.
27. Utke I., Hoffmann P., Melngailis J. Gas-assisted focused electron beam and ion beam processing // J. of Vacuum Science and Technology. Ser. B. 2008. P. 1197–1276.
28. Дрожжина М. В., Калин Б. А., Николаева И. Д. и др. Использование ускорителя ЭГП-15 для имитационных исследований радиационной повреждаемости реакторных материалов // Доклады XXV Междунар. конф. «Радиационная физика твердого тела», Севастополь, 6 июля – 11 июля 2015 г. С. 269–275.
29. Чернов И. И., Стальцов М. С., Аунг Чжо Зо и др. Особенности развития микроструктуры ванадия при облучении ионами Ni²⁺ энергией 7,5 МэВ при 650 ^oC // Атомная энергия. 2015. Т. 118, № 6. С. 321–324.
30. Ананьин В. М., Калин Б. А., Корчагин О. Н. и др. Исследование методом внутреннего трения взаимодействия кислорода с титаном в ванадии // Физика и химия обработки материалов. 2010. № 2. С. 66–70.
31. Lin Shao, Wei C.-C., Gigax J. et al. Effect of defect imbalance on void swelling distributions produced in pure iron irradiated with 3.5 MeV self-ions // J. of Nuclear Materials. 2014. Vol. 453. P. 176–181.
32. Стальцов М. С., Чернов И. И., Коршунов С. Н., Лагов П. Б. Особенности формирования газовой пористости вдоль траектории пролета ионов гелия в ванадиевых сплавах // Атомная энергия. 2019. Т. 126, Вып. 1. С. 40–46.
33. Шестакова В. М., Стальцов М. С., Чернов И. И., Калин Б. А. Влияние тантала на распределение газовой пористости в сплавах ванадия по глубине образца после облучения ионами гелия // Докл. 11-й Всероссийской конф. молодых ученых и специалистов (с международным участием) «Будущее машиностроения России», Москва, 24–27 сентября 2018 г. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2018. С. 178–181.