Метод прогнозирования температурно-дозовой зависимости радиационного распухания при нейтронном облучении на базе ионного облучения. Часть 1. Экспериментальное исследование радиационного распухания стали 08Х18Н10Т после ионного облучения

Проведены исследования радиационного распухания методами растровой электронной микроскопии аустенитной стали 08Х18Н10Т после облучения ионами никеля и гелия до максимальной повреждающей дозы 175 сна в диапазоне температур 500–650°С. Разработан подход по установлению соответст вия между распуханием исследуемой зоны облученного слоя и значением повреждающей дозы, рассчитанным для сплошного тела без вакансионных пор. Получены дозовые и температурные зависимости радиационного распухания для стали 08Х18Н10Т в диапазоне повреждающих доз 60–160 сна после ионного облучения. 
Проведено сопоставление полученных зависимостей с данными по распуханию исследуемой стали после нейтронного облучения. Обнаружено расхождение между распуханием при ионном и нейтронном облучении даже при компенсации влияния увеличения скорости набора дозы посредством увеличения температуры облучения. Выдвинута гипотеза, что обнаруженное расхождение вызвано не выбором параметров ионного облучения, а спецификой распухания в очень тонком облучаемом ионами слое, которая будет рассмотрена во второй части настоящей статьи.

1. Марголин Б. З., Сорокин А. А., Каштанов А. Д., Петров С. Н., Дуб А. В., Печенкин В. А. Методология оценки радиационной стойкости материалов, облученных в ионных ускорителях // Вопросы атомной науки и техники. Сер.: Ядерно-реакторные константы. – 2025. – № 4. – С. 164–204

2. Грудзевич О. Т., Печенкин В. А., Кобец У. А. и др. Исследования радиационной стойкости конструкционных материалов на ускорителях ионов // Вопросы атомной науки и техники. Сер.: Ядерно- реакторные константы. – 2022. – № 3. – С. 127–145.

3. Чернов И. И., Стальцев М. С., Калин Б. А. и др. Особенности развития микроструктуры ванадия при облучении ионами Ni2+ энергией 7,5 МэВ при 650°С // Атомная энергия. – 2015. – Т. 118. – Вып. 6. – С. 321–324.

4. Jiao Z. et al. Microstructure evolution of T91 irradiated in the BOR60 fast reactor // J. Nucl. Mater. – 2018. – V. 504. – P. 122–134.

5. Li J., Miao S., Liuqing Y. et al. A comparison study of void swelling in additively manufactured and cold-worked 316L stainless steels under ion irradiation // J. Nucl. Mater. – 2019. – V. 51. – P. 152946.

6. Taller S., Van Coevering G., Wirth B. D. et al. Predicting structural material degradation in advanced nuclear reactors with ion irradiation // Sci Rep. – 2021. – V. 11. – Art. 2949.

7. Kalchenko A. S., Bryk V. V., Lazarev N. P. et al. Prediction of swelling of 18Cr10NiTi austenitic steel over a wide range of displacement rates // J. Nucl. Mater. – 2010. – V. 399. – Is. 1. – P. 114–121.

8. Liu C., Ma H., Fan P. et al. Cavity swelling of 15-15Ti steel at high doses by ion irradiation // Materials. – 2024. – V. 17. – Is. 4. Art. 925. URL: https://doi.org/10.3390/ma17040925

9. Lin Y.-R., Bhattacharya A., Chen D., Kai J.-J., Henry J., Zinkle S. J. Temperature-dependent cavity swelling in dual-ion irradiated Fe and Fe-Cr ferritic alloys // Acta Materialia. – 2021. – V. 33. – Art. 116660.

10. Garner F. A., Toloczko M. B., Sencer B. H. Comparison of swelling and irradiation creep behavior of FCC-austenitic and BCC-ferritic/martensitic alloys at high neutron exposure // J. Nucl. Mater. – 2000. – V. 276. – P. 123–142.

11. Garner F. A. Radiation Damage in Austenitic Steels // Comprehensive Nuclear Materials. – Amsterdam: Elsevier, 2012. – Ch. 4. – P. 33–95.

12. Getto E., Sun K., Monterrosa A. M., Jiao Z., Hackett M. J., Was G. S., Void swelling and microstructure evolution at very high damage level in self-ion irradiated ferritic-martensitic steels // J. Nucl. Mater. – 2016. – V. 480. – P. 159–176.

13. Mansur L. K. Void Swelling in Metals and Alloys Under Irradiation: An Assessment of the Theory // Nuclear Technology. – 1978. – V. 40. – N 1. – P. 5–34. DOI: 10.13182/NT78-2

14. Johnston W., Rosolowski J., Turkalo A., Lauritzen T. Nickel Ion Bombardment of Types 304 and 316 Stainless Steels: Comparison with Fast-Reactor Swelling Data // Effects of Radiation on Substructure and Mechanical Properties of Metals and Alloys. ASTM International, 1973. – P. 213–228.

15. Was G. S. Fundamentals of Radiation Materials Science. – Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2007. – 827 p.

16. Glasgow B. B., Si-Ahmed A., Wolfer W. G., Garner F. A. Helium bubble formation and swelling in Metals // J. Nucl. Mater. – 1981. – V. 103–104. – P. 981–986.

17. Stoller R. E., Odette G. R. Effect of helium on swelling in stainless steel: influence of cavity density and morphology // ASTM STP. – 1982. – V. 782.

18. Woodley D., Taller S., Jiao Z., Sun K., Was G. S. The Role of Co-injected Helium on Swelling and Cavity Evolution at High Damage Levels in Ferritic-Martensitic Steels // J. Nucl. Mater. – 2021. – V. 550. – Art. 152912.

19. Марголин Б. З., Сорокин А. А., Беляева Л. А. Моделирование радиационного упрочнения нержавеющих ферритно-мартенситных и аустенитных сталей посредством облучения в ионном ускорителе. Ч. 1: Разработка методологии выбора режима ионного облучения ферритно-мартенситных сталей // Вопросы материаловедения. – 2024. – № 2 (118). – С. 187–211.

20. Рогожкин С. В., Искандаров Н. А., Алеев А. А. и др. Исследование влияния облучения ионами Fe на наноструктуру ферритно-мартенситной стали ЭК-181 // Перспективные материалы. – 2013. – № 2. – С. 36–41.

21. Рогожкин С. В., Никитин А. А., Хомич А. А., Искандаров Н. А., Алеев А. А. и др. Имитационные эксперименты на пучках тяжелых ионов для моделирования радиационных повреждений конструкционных материалов активной зоны ядерных и термоядерных энергетических установок // Ядерная физика и инжиниринг. – 2018. – Т. 9. – № 3. – С. 245–258.

22. Lear C. R., Song M., Wang M., Was G. S. Dual ion irradiation of commercial and advanced alloys: Evaluating microstructural resistance for high dose core internals // J. Nucl. Mater. – 2019. – V. 51. – P. 125–134

23. SRIM, Computer Code for Stopping and Range of Ions in Matter. URL: http://www.srim.org.

24. Pechenkin V. A., Chernova A. D., Molodtsov V. L., Garner F.A. Effect of internal sink strength on diffusion mass transport in alloys under high dose ion irradiation // Proceedings of the 12th International Topical Meeting on Nuclear Applications of Accelerators (November 10–13, 2015, Washington, USA). – 2016. – P. 103–109.

25. Васина Н. К., Марголин Б. З., Гуленко А. Г., Курсевич И. П. Радиационное распухание аустенитных сталей: влияние различных факторов. Обработка экспериментальных данных и формулировка определяющих уравнений // Вопросы материаловедения. – 2006. – № 4 (48) . – C. 69–88.

26. Марголин Б. З., Мурашова А. И., Неустроев В. С. Влияние напряжений на радиационное распухание аустенитных сталей // Вопросы материаловедения. – 2011. – № 4 (68) . – C. 124–139.

27. ГОСТ Р 59429-2021: Устройства внутрикорпусные водо-водяного энергетического реактора. Расчет на прочность на стадии проектирования.