Материалы ядерных реакторов

Лектор: Хмелевская Вита Сергеевна.

VII семестр – осенний семестр 2005 года.

Взаимодействие излучения с веществом.

При облучении вещества нейтронами они выбивают ионы из узлов ионной решётки. Эти ионы в дальнейшем также могут выбить другие ионы из узлов решётки. В результате возникает множество точечных дефектов. Эти дефекты могут взаимно уничтожиться, исчезнуть на поверхности, а также образовать трёхмерный дефект – пору.

. Здесь – концентрация межузельных атомов, – концентрация вакансий, K – скорость создания дефектов (зависит от интенсивности излучения), описывает аннигиляцию вакансий и межузельных атомов, , где  – некоторый множитель, отвечающий за расстояние между атомами, – концентрация межузельных атомов, отвечает за гибель дефектов на стоках.

Если облучение материала идёт в реакторе, то обычно , если на ускорителе – то .

Радиационное воздействие по-разному влияет на фазы вещества. Их классифицируют так:

1. Радиационное стимулирование – под воздействием облучения некоторые фазы появляются быстрее, чем при обычном термическом воздействии.

2. Радиационно-индуцированные фазы – эти фазы появляются только под действием облучения.

3. Радиационно-модифицированные фазы – эти фазы получаются и при термическом воздействии, но при облучении они наблюдаются в другом интервале температур.

Типичная зависимость сечения поглощения нейтронов от их энергии:

I – область быстрых нейтронов, II – область резонансных нейтронов, III – область тепловых нейтронов.

Сечения захвата тепловых нейтронов (энергия ~ 0.0025 эВ) для некоторых веществ

Элемент	, бн	Элемент	, бн	Элемент	, бн
Be	0.01	Fe	2.53	B	755
Mg	0.06	Ni	4.6	Cd	2550
Zr	0.185	Cr	2.9	Hf	105
Al	0.23

Сечения захвата быстрых нейтронов

Элемент	, мбн	Элемент	, мбн
C	0.00.3	Ni	6.5
Al	2.8	Zr	10.3
Cr	3.5	Cd	18.3
Fe	6.3	Hf	330

Цирконий, добываемый из руд, часто загрязнён газами, и для него макроскопическое сечение поглощения . Иногда в нём ещё есть 1% Hf и тогда .

Активация материалов

Под действием нейтронов в веществе происходят различные ядерные реакции, в результате чего часть ядер становятся радиоактивными. Активностью называются скорость распада этих ядер: , где A – активность, N – количество радиоактивных ядер,  – постоянная распада. Эта постоянная связана с периодом полураспада следующим соотношением: . Если в веществе одновременно с распадом происходит образование радиоактивных ядер со скоростью g, то .

При распаде активных ядер выделяется тепловая энергия. Стационарный тепловой поток , где s – коэффициент теплопроводности, T – температура. Уравнение теплопроводности: , где t – время, , c – теплоёмкость. Теплопроводность делится на электронную теплопроводность (передача энергии с помощью электронов) и фононную теплопроводность (распространение квантов упругих колебаний ионной решётки). Связь между теплопроводностью и электропроводностью: , где L – число Лоренца. Электроны и фононы рассеиваются только на препятствиях, сравнимых с ними по размеру.

К оэффициент термического расширения: .

Сплав	s, кал/(смсК)
Al	0.54
Al-4Mg (4% Mg)	0.32
Al-10Mg	0.20
Электролитическое железо	0.20
1Х13	0.07
Х18Н10Т	0.034

Коэффициент теплопроводности увеличивается в следующем ряду: аустенит  мартенсит  отпущенный мартенсит  троостит  сорбит  феррит.

Сплав	Коэффициент термического расширения, К–1
Феррит
Аустенит
Инвар