Радиационно-стойкие материалы

При облучении потоками частиц (нейтронов, протонов, электронов, альфа-частиц осколков деления) и жестким электромагнитным (гамма- и рентгеновским) излучением в материалах образуются структурные повреждения, называемые радиационными дефек­тами. Переданная материалу твердых тел энергия частиц или излучения частично расхо­дуется на разрыв межатомных связей. Для образования, например, простейшего радиа­ционного дефекта - пары Френкеля (вакансии и междоузельного атома) необходима энергия 14-35 эВ, превышающая пороговую. При облучении материалов частицами с энергией порядка мегаэлектронвольта смещаемым атомам передается энергия, на поряд­ки более высокая по сравнению с пороговой. Смещаемый атом ускоряется, а его кинети­ческая энергия расходуется на ионизацию атомов, расположенных вдоль траектории движения. В результате образуется каскад радиационных.дефектов.

Частицы и излучения могут приводить к химическим и ядерным реакциям (включая реакции деления) в материале тел, а также появлению в структуре материалов самих бомбардирующих частиц (ионное внедрение), что вызывает появление примесей в мате­риале, и являются второй причиной возникновения радиационных дефектов.

Физические процессы, приводящие к образованию радиационных дефектов, состав­ляют научную основу радиационного материаловедения, изучающего совокупность ме­тодов, позволяющих, во-первых, создать материалы (конструкционные, полимерные, полупроводниковые и др.), устойчивые к воздействию ядерных излучений и, во-вторых, придать этим материалам требуемые свойства путем их дозированного облучения.

Радиационные дефекты способны изменять объемные и поверхностные свойства материалов. Характер изменения свойств зависит от длины пробега частицы или излу­чения. К поверхностным дефектам приводит облучение электрозаряженными частицами и излучениями низких энергий; к объемным - облучение быстрыми нейтронами.

При взаимодействии быстрого нейтрона¹ с металлическим или керамическим мате­риалом большая часть его энергии передается атомам, смещающимся из узлов кристал­лической решетки (пороговая энергия смещения атома составляет около 25 эВ). В результате происходит образование дефектов кристаллов в виде вакансий и междоузлий. Начиная с определенного количества радиационных дефектов становятся заметными изменения механических, физических, химических и других свойств конструкционных металлических или керамических материалов.

1 Быстрые нейтроны образуются при реакции деления ядер, их энергия составляет 0,1 -10 МэВ

При взаимодействии быстрого нейтрона с органическим веществом большая часть его энергии идет на образование протонов отдачи, на ионизацию атомов водорода или их возбуждение. Разрыв связей С—Н или С-С является следствием облучения. Из жид­ких органических веществ выделяются газы, их вязкость повышается. Радиационная стойкость и стабильность органических веществ намного ниже, чем металлических керамических материалов.

Наибольшую чувствительность к радиации имеют полупроводники. При взаимодействии быстрых нейтронов с полупроводниками снижаются их усиливающие характеристики, в запрещенной зоне возникают разрешенные состояния.

Изучение поведения различных материалов в потоках быстрых и тепловых¹ нейтронов показало, что существует пороговое значение флюенса нейтронов² , ниже которого влияние облучения на материалы незначительно. В табл. 6.73 и 6.74 приведены порого­вые значения флюенсов для быстрых, тепловых и надтепловых³ нейтронов. Выше поро­говых значений флюенса нейтронов эффект облучения необходимо учитывать при выборе материалов, расчете механической и конструкционной прочности, коррозионной стойкости, расчете теплопередачи и совместимости материалов.

¹Тепловыми называют нейтроны, находящиеся в тепловом равновесии с ядрами среды и имеющие энергию 0,005-0,2 эВ.

²Флюенс нейтронов - произведение плотности потока нейтронов и времени облучения; плотность потока нейтронов - произведение плотности нейтронов и их средней скорости.

³Надтепловыми называют нейтроны с энергией 2-10 эВ.

Таблица 6.73. Пороговое значение флюенса быстрых нейтронов в различных материалах

Таблица 6.74. Пороговое значение флюенса тепловых и надтепловых нейтронов в различных материалах

Степень радиационного воздействия на материалы при облучении их нейтронами зависит от состава изотопов в химических компонентах материалов. Например, в ре­зультате (n, α)-реакции¹ в материалах появляется гелий, влияющий на процессы радиа­ционного распухания, ползучести, охрупчивания.

¹Реакция захвата нейтрона n ядром, сопровождающиеся вылетом α-частицы ((n, γ) - то же испусканием γ-кванта; (р, α) - реакция захвата протона р ядром, сопровождающаяся вылетом α-частицы).

Для примера можно указать и другие ядерные реакции, которые могут приводить к дополнительному изменению свойств ма­териалов:

К свойствам конструкционных материалов, работающих в условиях радиационных облучений, предъявляют следующие требования:

1) высокая механическая прочность и пластичность;

2) высокая термическая стабильность (теплостойкость);

3) высокая коррозионная стойкость и совместимость с другими материалами;

4) хорошие характеристики теплопередачи;

5) малое сечение поглощения (захвата) нейтронов;

6) большая радиационная стабильность;

7) низкая наведенная радиоактивность;

8) высокое сечение рассеяния нейтронов, большая потеря энергии нейтрона за одно столкновение.

Первые четыре требования являются общими для конструкционных материалов; по­следние — специфическими свойствами, определяемыми необходимостью экономии нейтро­нов, эффективного их замедления (для реакторов на тепловых нейтронах), а также стремлением иметь малое отрицательное изменение механических и других свойств под влиянием радиационного облучения. Специфические требования определили выбор элемен­тов, служащих основой и легирующими добавками реакторных металлических материалов.

Перечень этих элементов и их ядерно-физические характеристики приведены в табл. 6.75.

Таблица 6.75. Ядерно-физические свойства реакторных металлических материалов

Барн - внесистемная единица измерения площади, 1 б =10^-28м².

Бериллий и его соединения. Бериллий имеет наименьшее из всех металлов сече­ние поглощения тепловых нейтронов, большое сечение рассеяния и высокую температу­ру плавления, поэтому является отличным замедлителем и отражателем¹.