Nghiên cứu về cơ chế lão hóa do bức xạ ở bê tông kết cấu trong các cơ sở hạt nhân bằng cách sử dụng bức xạ ion trên các vật liệu mô hình

Bài viết Nghiên cứu về cơ chế lão hóa do bức xạ ở bê tông kết cấu trong các cơ sở hạt nhân bằng cách sử dụng bức xạ ion trên các vật liệu mô hình nghiên cứu về cơ chế suy thoái do bức xạ trong kết cấu bê tông, đặc biệt là hiện tượng giãn nở thể tích bởi bức xạ (RIVE) do sự chuyển pha từ tinh thể sang vô định hình ở các tinh thể trong cốt liệu đá.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu về cơ chế lão hóa do bức xạ ở bê tông kết cấu trong các cơ sở hạt nhân bằng cách sử dụng bức xạ ion trên các vật liệu mô hìnhTiểu ban D2: Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong công nghiệp và các lĩnh vực khácSection D2: Application of nuclear techniques in industries and others NGHIÊN CỨU VỀ CƠ CHẾ LÃO HÓA DO BỨC XẠ Ở BÊ TÔNG KẾT CẤU TRONG CÁC CƠ SỞ HẠT NHÂN BẰNG CÁCH SỬ DỤNG BỨC XẠ ION TRÊN CÁC VẬT LIỆU MÔ HÌNH A STUDY ON THE IRRADIATION DEGRADATION MECHANISM IN CONCRETE STRUCTURES USED IN NUCLEAR FACILITIES USING ION IRRADIATION ON MODEL MATERIALS* NHUT LUUVU (1, 2A*), KENTA MURAKAMI (2), HAMZA SAMOUH (3) , IPPEI MARUYAMA (3), KIYOTERU SUZUKI(4) (1) Center for Non-destructive Evaluation, Vietnam Atomic Energy Institute, Hanoi, Vietnam (2) Nagaoka University of Technology, Nagaoka, Niigata, Japan (3) Nagoya University, Nagoya, Aichi, Japan (4) Mitsubishi Research Institute, Chiyoda, Tokyo, Japan (2a) Former student at Nagaoka University of Technology, Nagaoka, Niigata, Japan * nhut.czech@gmail.comTóm tắt: Báo cáo này nghiên cứu về cơ chế suy thoái do bức xạ trong kết cấu bê tông, đặc biệt là hiện tượng giãn nở thểtích bởi bức xạ (RIVE) do sự chuyển pha từ tinh thể sang vô định hình ở các tinh thể trong cốt liệu đá. Để làm rõ cơ chếgây ra RIVE, chiếu xạ ion bằng Si được tiến hành trên các mẫu tinh thể thạch anh, albite và microcline ở các thông lượngkhác nhau đến 2 x 1016 ions/cm2. Những thay đổi tính chất cơ học và cấu trúc được phân tích bằng kính hiển vi laser, kínhhiển vi điện tử truyền qua và độ cứng nano. Kết quả cho thấy các đặc tính cơ học của tinh thể bị chiếu xạ giảm đáng kểvới mật độ ion, tuy nhiên sự thay đổi thể tích (RIVE) tăng dần theo mật độ ion. Điều thú vị là quá trình RIVE vẫn tiếpdiễn sau khi tinh thể đã vô định hình hoàn toàn. RIVE thay đổi tỷ lệ với ‘số lượng nguyên tử bị đánh bật DPA’ (thôngsố này thường được sử dụng để định lượng hư hỏng do bức xạ trong vật liệu thùng lò) và RIVE xảy ra khi DPA lớnhơn 0.04 ở tinh thể thạch anh.Từ khóa: lão hóa bê tông; RIVE; tinh thể silicate; chiếu xạ ion; hư hỏng do bức xạ; sự vô định hìnhAbstract: This study aimed at evaluating and elucidating the irradiation degradation mechanisms in concrete structuresused in nuclear facilities, particularly radiation-induced volume expansion (RIVE) due to crystal-to-amorphous transition(amorphization) in rock-forming aggregate minerals. To elucidate RIVE mechanism, the Si ion irradiation was conductedon quartz, albite and microcline mineral at different ion fluences up to 2 x 10 16 ions/cm2. The changes in properties werecharacterized by Laser Microscopy, Transmission Electron Microscopy and Nano-indentation. The results showed thatmechanical properties of irradiated minerals decreased significantly along ion fluence; in contrast, RIVE increased with ionfluence. Importantly, the RIVE in irradiated quartz continued even after the amorphization was completed. Furthermore,RIVE was found to be proportional to the number of knock-on atoms (DPA) and RIVE started to occur above 0.04DPA inirradiated quartz, this implies that the RIVE of aggregate can be indicated by DPA.Keywords: concrete degradation; RIVE; silicate minerals; ion irradiation; radiation damage; amorphizationI. INTRODUCTION Concrete biological shield is designed for radiation shielding and reactor support in Light WaterReactors (LWRs). In general, the performance of concrete in LWRs is very good because of wellcontrolling of material selection and safety measures to prevent exposure to chemical attack; however,extending lifetime leads to high accumulated irradiation dose which would change concrete properties i.e.,reduction in compressive strength and elastic modulus due to the radiation induced volume expansion(RIVE) in concrete aggregates and/or radiation heating in cement paste, which has received large attentionrecently. Concrete is made by mixing aggregates, cement powder, and water with an appropriate water-to-cement ratio. Because aggregates make up around 70-80% of total concrete volume, the properties ofaggregates could strongly affect the mechanical properties of concrete. Feldspars are most abundant amongsilicate minerals existing in aggregate, such as albite-NaAlSi3O8 , microcline (KAlSi3O8). In silicateminerals, the basic structure [SiO4]4- (Si tetrahedron) is the building block, thus mineral properties arecommonly associated with the topology of the network that is built by basic structures. Therefore, quartz(SiO2), ...