Проблематика фазовых превращений, протекающих в процессе водородного транспорта в конструкционных материалах, не только важна с практической точки зрения в силу их критического влияния на эксплуатационные свойства металлов, но и представляет существенный интерес в контексте понимания механизмов и моделирования кинетики водородопроницаемости в гидридообразующих металлах. Циркониевые сплавы являются основным материалом активной зоны легководных ядерных реакторов в силу малого сечения захвата тепловых нейтронов. При контакте циркониевых сплавов с теплоносителем происходит образование водорода, вступающего во взаимодействие с металлом, что приводит со временем к образованию гидридов циркония и деградации механических свойств материала. Гафний напротив обладает весьма высокой способностью захвата медленных нейтронов, благодаря чему его гидрид рассматривается в качестве перспективного материала в узах управления и защиты ядерных реакторов.
Как было показано ранее (см., например, [1, 2]), образование гидридной фазы ярко проявляется в кинетике водородопроницаемости циркониевых сплавов и гафния. Однако непосредственного наблюдения фазовых превращений в ходе изотермического проникновения водорода через эти материалы до последнего времени не было проведено. Данная работа была направлена на устранение этого пробела.
Для достижения этой цели было необходимо обеспечить проникновение водорода через мембрану из исследуемого материала при повышенных температурах (450-550 оС) с регистрацией in situ спектров рентгеновской дифракции. Поскольку рентгеновские дифрактометры в базовой комплектации не позволяют проводить эксперименты по водородопроницаемости, потребовалась разработка специализированной компактной диффузионной ячейки, которая размещалась в высокотемпературной приставке дифрактометра.
Источником водорода в ячейке служил гидрид титана, размещаемый в вакуумируемой полости ячейки, и выделяющий газ при нагреве до рабочей температуры.
Для удаления воздуха из ячейки до давления ~10-7 Торр с последующей герметизацией была задействована вакуумная камера оригинальной конструкции.
Эксперименты по регистрации трансформации фазового состава циркониевых сплавов Э125, Э635 и гафния марки ГФИ-1, происходящей в результате проникновения через них водорода, были проведены на дифрактометре Rigaku "Ultima IV" научного парка СПбГУ с высокотемпературной вакуумной камерой Rigaku "SHT-1500".
Для всех трех материалов рентгенофазовый анализ подтвердил образование гидридных фаз металлов, составлявших основу сплавов, в процессе проникновения через них водорода, что в совокупности с экспериментами по определению кинетики водородопроницаемости служит прямым доказательством влияния фазовых превращений в материале на характер водородопроницаемости.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-29-00625, https://rscf.ru/project/24-29-00625/.
Авторы выражают благодарность АО «Чепецкий механический завод» за предоставленные материалы для образцов из циркониевых сплавов, а также ресурсным центрам «Физические методы исследования поверхности» и «Рентгенодифракционные методы исследования» Научного парка Санкт-Петербургского государственного университета.


Список литературы
1. Denisov, E. A., Kompaniets, M. V., Kompaniets, T. N., & Bobkova, I. S. (2016). Peculiarities of hydrogen permeation through Zr–1%Nb alloy and evaluation of terminal solid solubility. Journal of Nuclear Materials, 472, 13–19. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2016.01.022
2. Denisov, E.A., Dmitriev, V.A., Gromov, E.P. et al. Analysis of the Applicability of the Hydrogen Permeation Method for Determining the Terminal Solid Solubility of Hydrogen in Hafnium. Crystallogr. Rep. 70, 729–737 (2025). https://doi.org/10.1134/S1063774525600668