Поглинання нейтронів в активній зоні – основа регулювання роботи реактора та його безпечної експлуатації.

Захист від теплових нейтронів засновано на використанні матеріалів з  високим перерізом захвату нейтронів. Для послаблення нейтронного випромінювання використовуються пластини з бетону, алюмінію, сталі, свинцю, оргскла та поліетилену. Для захисту можуть застосовуватися речовини з високим перетином поглинання теплових нейтронів, це – бор, кадмій, гадоліній та літій.

Метою дослідження було визначення впливу рідкоземельних металів (РЗМ) у складі сплаву на основі заліза на рівень їх нейтронопоглинаючого ефекту.

До РЗМ відповідно до промислової класифікації металів відносяться хімічні елементи з номерами 57-71 Періодичної системи Д. І. Менделєєва, що мають однакову кількість електронів на зовнішній оболонці атомів і відповідно схожі фізико-хімічні властивості. До рідкоземельних також відносять близькі до них перехідні метали третьої групи – хімічні елементи з порядковим номером 39 та 21 – ітрій та скандій.

У роботі досліджували рівень нейтронопоглинального ефекту 5 хімічних елементів: церій, самарій, гадоліній, диспрозій та ітрій у сплавах на основі заліза.

Методика дослідження. Метали плавили у силітовій печі в алундових тиглях. Базовим був сплав такого хімічного складу, мас. %: вуглець 3,52; кремній 1,46; марганець 0,065; фосфор 0,34; сірка 0,031; залізо решта. Для модифікування застосовували практично чисті рідкоземельні метали з вмістом домішок, %: церій – 0,41, самарій – 0,46, гадоліній – 0,29, диспрозій – 0,39, ітрій – 0,24.

Церій (лат. Serium) Ce – атомний номер 58, атомна маса 140,12, атомний радіус 1,71 A, густина 6,789 г/см³ температура плавлення 1077 К (804  5^°С), температура кипіння 3 743К (3 470 ^°С).

Самарій (лат. Samarium) Sm – атомний номер 62, атомна маса 150,36, атомний радіус 1,802 A, густина 7,536 г/см³ температура плавлення 1345 К (1072  5^°С), температура поліморфного перетворення 1193 К (1670 ^°С).

Гадоліній (лат. Gadolinium) Gd – атомний номер 64, атомна маса 157,25, атомний радіус 1,802 A, густина 7,886 г/см³ температура плавлення 1585 К                       (1312 15 ^°С), температура кипіння 3103 К (2830 ^°С), гадоліній та самарій мають дуже близькі значення радіусів атомів, але відрізняються кристалічними структурами, через те, що гадоліній має гексагональну структуру типу магнію.

Диспрозій (лат. Dysprosium) Dy – атомний номер 66, атомна маса 162,5, атомний радіус 1,802 A, густина 8,55 г/см³ температура плавлення 1685 К                  (1412  15 ^°С), температура кипіння 2840 К (2567 ^°С).

Ітрій (лат. Yttrium) Y – атомний номер 39, атомна маса 88,91, атомний радіус 1,801 A, густина 4,472 г/см³ температура плавлення 1825 К (1552 15^°С), температура кипіння 2903 К (2630 ^°С).

Модифікування РЗМ здійснювали у кількості 6 мас. % примусовим зануренням при досягненні температури розплаву 1450 ± 10 °С. Після тимчасової витримки протягом 10 хв здійснювали заливання одержаного розплаву при температурі 1320 °С у суху піщано-глинясту форму для одержання спеціального зразка з розмірами 75 × 75 × 15 мм. Зразки перед випробовуванням нейтронопоглинального ефекту підлягали механічному обробленню.

Мікроскопічне дослідження проводили на оптичному металомікроскопі Neophot 21 при збільшенні 100 та 500. Шліфи досліджували після травлення у                  2 %-му розчині азотної кислоти в етиловому спирті (ніталь). Кількість структурних складників визначали точковим методом Глаголєва в 20 полях зору при збільшенні 400, що забезпечувало необхідну достовірність. Твердість чавунів вимірювали на приладі Роквелла за ДСТУ EN 6508-1:2013, використовуючи алмазний конус з кутом при вершині 120° (шкала С), з переведенням в одиниці Брінелля. Величину твердості розраховували як середню із п'яти вимірів. Мікротвердість структурних складових чавунів визначали на приладі ПМТ-3 за ГОСТ 9450-76 при навантаженні 0,49 Н та збільшенні 487. Точність вимірювання діагоналі відбитка становила 0,07 мкм. Величину мікротвердості розраховували як середню із 50 вимірів.

Дослідження впливу РЗМ у високовуглецевих сплавах на основі заліза на рівень їх нейтронопоглинального ефекту проводили на спеціальній «гарматі» за постійного нейтронного потоку над зразком 4800 с^-1см^-2.

Результати дослідження. Кількісний склад структурних складників дослідних чавунів та їх мікротвердість наведені у табл. 1. В усіх зразках при евтектичній кристалізації відбувався повний поділ фаз та первинна структура складалася з дендритів аустеніту і цементиту. Вторинний цементит при подальшому охолодженні після твердіння зразків виділявся з аустеніту у вигляді тонких пластин. Евтектоїдне перетворення аустеніту призводило до утворення перліту або трооститу. Кількісний склад структурних складників дослідних чавунів, їх мікротвердість та властивості дослідних сплавів наведені у табл. 1. 

Досліджені хімічні елементи за величиною нейтронопоглинаючого ефекту розташовувалися у такий спадний ряд: гадоліній, самарій, диспрозій, ітрій. Обробка чавунного розплаву церієм не дала позитивного результату.