Взаимодействие с водородом

Большое значение с точки зрения получения вакуума и загрязнения плазмы “холодным” газом играет ремиссия (рециклинг) водорода, определяемая десорбцией изотопов водорода под действием излучения плазмы, захватом, диффузией и молекулярной рекомбинацией, отражением от стенки рабочей камеры. Никель имеет низкую растворимость водорода, это хорошо иллюстрирует диаграмма состояний системы Ni – H.

Рисунок 2.5 – Диаграмма состояний системы Ni–H [8]

Как видно на рисунке 2.5, растворимость водорода в никеле около 0,011 %.

Процесс поглощения водорода определяется его адсорбцией на поверхности и диффузией в объеме металла. Легко диффундируя внутрь металла, водород изменяет его свойства и способствует протеканию реакций на поверхности и внутри металла. Взаимодействе водорода с поверхностью никеля представляет собой хорошо изученный субъект исследования адсорбции. Атомы водорода, попадая на поверхность кристалла никеля, путем диффузионных процессов устремляются в глубь кристалла, причем, вдоль разных кристаллографических направлений водород имеет разные коэффициенты диффузии. После насыщения объема кристалла происходит сегрегация водорода на границах зерен, на порах и на прочих неоднородностях, что приводит к возникновению напряжений внутри поликристалла и его дальнейшему разупрочнению, образованию трещин и разрушению по механизмам схожими с теми, по которым происходит разрушение при гелиевом охрупчивании (описано в разделе 2.2.5). Образование трещин под действием потока ионов водорода происходит и в приповерхностном слое [11].

Скорость миграции атомов водорода в матрице никеля можно оценить по коэффициентам диффузии водорода и его изотопов, температурные зависимости которых представлены на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6 – Диффузия водорода, дейтерия и трития в никеле [12]

Водород стабилизирует первичные дефекты и мелкие кластеры, не позволяя им на ранней стадии сливаться в видимые в ПЭМ-дефекты, затрудняет диффузию дефектов и, следовательно, укрупнение пор и петель на поздней стадии облучения. Водород, находящийся в микропузырьках, может химически взаимодействовать с примесными атомами, например, углеродом, образуя СD₄, который стимулирует образование пор и стабилизирует их. Связь атома Н с любым примесным атомом внедрения осуществляется не путем химического взаимодействия, а в результате возникновения полей напряжений, создаваемых вокруг дефекта. Образование комплексов вакансия–водород может привести к значительному увеличению стационарного количества радиационных вакансий и таким образом к проникновению инертного газа в объем металла по вакансиям, стабилизированным водородом [10]. В отсутствие остаточных напряжений или внешней нагрузки, внешнее водородное охрупчивание проявляется в различных формах, типа образования вздутий, внутреннего трещинообразования, формирования гидрида и снижения вязкости.

Энергетический потенциал, позволяющий мигрировать атомам водорода можно оценить зная его термодинамические функции. Термодинамические функции водорода, находящегося в матрице никеля, представлены на рисунке 2.7.

Рисунок 2.7 – Свободная энергия, энтальпия и энтропия водорода в никеле [12]

Температурные зависимости коэффициентов диффузии внедренного водорода, дейтерия и трития в никеле рассчитываются теоретически. Численные результаты показывают, что диффузия происходит по октаэдрическими пустотами и косвенным путем через метастабильные тетраэдрические пустоты, и что энтальпия миграции и энтропия в обоих случаях сильно зависит от температуры. Тем не менее, энтальпия миграции и энтропия связаны таким образом, что коэффициент диффузии хорошо описывается постоянной энергии активации, т.е. D = D ₀ exp (Q / RT), при Q = 45,72; 44,09 и 43,04 кДж / моль и D ₀ = 3,84 10^-6; 2,40 10^-6; 1,77 10^-6 м²/с для H, D и T, соответственно [12].

Водород, продиффундировавший в глубь никеля, реагирует с оксидами с образованием паров, с углеродом с образованием метана, с серой, фосфором и рядом других элементов с образованием соответствующих соединений. Получающиеся при этом продукты реакции, например, водяной пар или метан, приводят к разрыхлению структуры, снижают прочность кристалла и способствуют его разрушению.

Наклеп или укрупнение зерна усугубляют отрицательное влияние водорода, способствуют более сильному охрупчиванию и преждевременному разрушению материала.

Так же имеет место проблема водорода в сварных соединениях - происходит охрупчивание сварного шва.

Выводы.

При взаимодействии водорода с никелем необходимо учитывать следующее: растворимость водорода возрастает с температурой; имея ниаменьший атомный радиус водород легко диффундирует в никель; с повышением давления водорода никель сильнее его поглощает. Для уменьшения растворимости водорода можно его легировать такими элементами как углерод, алюминий, кремний.

Способность проникновения водорода в металл определяется его взаимодействием на поверхности металла. Для уменьшения взаимодействия поверхности никеля с водородом важна защита поверхности металла.

Следует защитить сварной шов от образования в нем областей с высокой концентрацией водорода.

Взаимодействие с натрием

Никель обладает высокой (<0,025 мм/год) коррозионной стойкостью в натрии вплоть до 900 °С в статическом режиме и до 650 °С в динамическом, однако этого не достаточно для разрабатываемого конструктивного элемента. Сплавы на основе никеля более склонны к переносу масс (никеля) при высоких температурах, чем хромоникелевые сплавы аустенитного класса, содержащие меньше Ni. Установлено, что наличие даже в небольшом количестве (~0,01%) примеси О₂ в жидком натрии заметно снижает длительную прочность целого ряда сплавов на его основе.

Отмечено, что под действием напряжений, температуры и переноса масс разрушение происходит в отдельных зонах, характеризуемых повышенной концентрацией напряжений. Это способствует усиленному разрушению коррозией металла по трещинам и границам зерен.

Выводы.

При использовании натрия в качестве теплоносителя при высоких температурах никель растворяется в нем и оседает в системе охлаждения при остывании, затрудняя движение теплоносителя. Для решения этой проблемы никель необходимо легировать элементами, препятствующими коррозии в натрии, такими как Cr, Mo, Nb. Так же необходима глубокая очистка натрия от кислорода.