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) = mСр(A) + nСр(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
(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].
Рис. 1. Зависимости температуропроводности от температуры для образцов Tc и сплавов Tc-Ru: 
– металлический технеций; 
– Tc-19 %Ru; 
– Tc-70 %Ru
Рис. 2. Зависимости теплопроводности от температуры для образцов Tc и сплавов Tc-Ru: 
– металлический технеций; 
– Tc-19 %Ru; 
– 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.
Рис. 3. Зависимость плотности образцов сплавов Tc-Ru от содержания рутения: 
– теоретическая (рентгеновская) плотность; 
– 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.
Рис. 4. Зависимость теплопроводности от температуры для образцов Tc и сплавов Tc-Ru: 
– металлический технеций, данные работы [5]; 
– Tc-25 %Ru, данные работы [5]; 
– Tc-50 %Ru, данные работы [5]; 
– Tc-75 %Ru, данные работы [5]; 
– металлический рутений, данные работы [5]; 
– металлический технеций, данные настоящей работы; 
– Tc-19 %Ru, данные настоящей работы; 
– 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.