Влияние облучения на свойства материалов

ВЛИЯНИЕ ОБЛУЧЕНИЯ НА СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

Взаимодействие ионизирующих излучений с кристаллами в конечном итоге сводится к трем первичным процессам:

-ионизация атомов кристалла;

-ядерные реакции, в результате которых изменяется химический состав исходных материалов;

-смещение атомов из своих регулярных положений.

Последний процесс лежит в основе радиационной повреждаемости большинства реакторных материалов.

При соударении с атомом кристалла нейтрон передает ему энергию – от сотен килоэлектронвольт до одного мегаэлектронвольта (для материала среднего атомного веса), выбивая его из регулярного положения в кристаллической решетке. При этом образуется вакансия.

В приближении упругого соударения энергия первично выбитого атома (ПВА) определяется выражением

где T – энергия бомбардирующей частицы, М1 и М2 – массы бомбардирующей частицы и атома кристалла, - угол рассеяния бомбардирующей частицы. Нетрудно увидеть, что максимально возможная энергия Emax получается при лобовом столкновении 1800 .

Если ПВА получает энергию, большую некоторой энергии Ei , то при последующем

перемещении по кристаллу дефектов он почти не создает и его энергия затрачивается на ионизацию атомов вещества. Для металлов это явление существенного влияния на физико-механические свойства не оказывает. После замедления ПВА до энергии,

Такой ПВА инициирует целую последовательность (каскад) вторичных, третичных и т.д. смещений, пока вся энергия ПВА не уменьшится до величины Ed , недостаточной для выбивания атома из узла кристаллической решетки (рис.1). Пороговая энергия Ed

образования смещения составляет величину около 25 эВ. В ядре каскада образуется пересыщенная вакансиями область – так называемая обеднѐнная зона. Межузельные атомы в результате замещающих столкновений уходят на периферию каскада (рис.2).

Рис. 1. Результат облучения нейтронами твердого вещества:

п — траектория падающего нейтрона; 1 — траектория первичного атома отдачи; 2 - траектория вторичного атома отдачи; 3 - траектория третичного атома отдачи; 4 - сильная ионизация; 5 - межузельные атомы; 6 - вакансии; 7 -атомы-примеси; 8 – термический пик; 9 – пик смещения.

Рис. 2.

Согласно самой ранней и простой модели Кинчина-Пиза, ПВА с энергией E Ei создает E / Ed пар Френкеля (междоузельный атом – вакансия).

Таким образом, число смещений, производимых в единице объема материала за время

t , будет

d N0 t,

где N0 число атомов в единице объема; поток нейтронов; сечение упругого

взаимодействия нейтрона с ядром атома среды. Непрерывное образование дефектов сопровождается непрерывным же возвращением атомов в узлы кристаллической решетки. За время t каждый атом окажется смещенным из узла d / N0 раз

d / N0 t.

Этой величиной часто характеризуют степень радиационного повреждения материала (вместо флюенса нейтронов t ). Отношение / t - коэффициент перехода одних единиц

в другие. Для материалов с атомным номером 50, значением Ed = 25 эВ, сечением

образования смещения 2 10 24 см2 и при спектре нейтронов деления ~ 2 10 21 см2. Однако, и являются функциями материала и спектра нейтронов, потому точное

определение числа смещений на атом для данного флюенса нейтронов затруднительно. Обусловлено это тем, что дефекты в каскадах (вакансии и межузельные атомы) способны аннигилировать друг с другом за время порядка 10-9-10-10с и реальное число смещений оказывается гораздо меньше вычисленного по формуле Кинчина-Пиза.

0

Действительно, размер каскада около 100 A , он охватывает около 105 атомов, и в этой области выделяется энергия ПВА порядка Ei (до сотен кэВ). В результате материал в

объеме каскада оказывается сильно разогретым на короткое время, которого, однако, достаточно для отжига значительного числа радиационных дефектов, уменьшающего их количество в каскаде иногда на порядок.

Термодинамически равновесная концентрация вакансий в обычных металлах дается выражением NeV N0 exp( E fx / KT ) ( E fV 1 эВ). Концентрация же радиационно-

созданных вакансий может превосходить эту величину на много порядков. Энергия образования межузельного атома E fi 5 эВ, поэтому концентрация межузельных атомов,

созданная облучением, еще больше превосходит равновесную концентрацию этих дефектов, т.е. облучение является мощным средством создания в материале сверхравновесных концентраций вакансий и межузельных атомов.

Дальнейшее поведение введенных облучением точечных дефектов зависит главным образом от температуры облучения. Они могут аннигилировать, рекомбинировать на уже существующих в материале стоках (границах зерен, дислокациях) или агломерироваться в комплексы. При температурах ниже ~ 0,3Tпл наблюдаемые скопление выражается в форме

вакансионных и межузельных дислокационных петель размером несколько сотен нанометров. Их наблюдают после облучения флюенсами нейтронов 1018-1020 нейтрон/см2,

иэта картина не меняется вплоть до 5 1022 нейтрон/см2 .

Втемпературном интервале (0,3 0,5)Tпл доминирующей формой скоплений являются

вакансионные поры размером до нескольких тысяч нанометров и дислокационные петли внедрения. Такое структурное состояние материала является предметом изучения в связи с явлением распухания. При высоких температурах, выше ~ 0,5Tпл , радиационное

повреждение связывается с протеканием радиационно-стимулированных процессов, в результате которых изменяется структурно-фазовое состояние, а также с протеканием ядерных реакций, приводящих к изменению химического состава, исходных материалов.

Именно этими дефектами радиационного происхождения в значительной степени определяются неблагоприятные явления, наблюдаемые в материалах ЯЭУ, с которыми в свою очередь связана работоспособность элементов ЯЭУ.

В порядке убывания их значимости для материалов ЯЭУ характерны следующие явления.

1.Изменение механических свойств.

2.Вакансионное распухание.

3.Коррозия поверхности, блистеринг.

4.Радиационный рост.

5.Газовое распухание.

6.Ускорение коррозии, окисление, ухудшение совместимости.