Перечислить дефекты кристаллического строения и пояснить их.

1)Точечные дефекты:

1. междоузельные атомы – избыточный атом твёрдых растворов;

2. дефекты Шоттки – отсутствие атомов в регулярных положениях (вакансия);

3. дефекты Френкеля – образование вакансии вместо междоузельного атома (пара Френкеля).

2)Линейные дефекты:

1. линейная дислокация – край плоскости, составленный их атомов;

2. винтовая дислокация – ряд атомов, образующих спираль.

3)Плоские дефекты – скопление линейных дефектов в некоторой плоскости кристалла:

1. субграничный дефект – наклонная граница между двумя соседними идеальными областями в одном кристалле с малым углом разориентировки;

2. зернограничный дефект – граница между двумя кристаллами в поликристаллическом твёрдом теле;

3. дефект упаковки – граница между двумя участками с плотной упаковкой, на которой процедура упаковки нарушена.

69. Какие эффекты возникают при взаимодействии различных частиц с веществом?

При взаимодействии с протонами основной эффект – ионизация и смещение атома.

При взаимодействии с электронами основной эффект – ионизация.

При взаимодействии с фотонами основной эффект – ионизация.

При взаимодействии с нейтронами основной эффект – смещение атомов.

70. Как облучение нейтронами влияет на вещество и что называется средним числом смещенных атомов?

В результате облучения материалов нейтронами возникают локализированные дефекты решетки. Для объяснения таких дефектов были предложены модели и теории:

1)Модель атомных смещений

2)Модель температурного и топливного цикла

3)Модель пика смещения

4)Модель замещения соударения

Среднее число смещенных атомов – число атомов в междоузельном пространстве. Среднее число смещенных атомов, приходящиеся на каждый первично выбитый атом любой энергии, уменьшается с ростом массового числа облучаемого материала.

71. Как облучение влияет на вещество? (см. вопр. 70)

В результате облучения материалов нейтронами возникают локализированные дефекты решетки.

Классификация:

- структурные и механические (изменения с локальной деформацией)

- электрические и физические (изменения, связанные с захватом заряда дефектами решетки)

72. Что называется пороговой энергией смещенных атомов?

Пороговая энергия смещенных атомов – энергия, передаваемая частице при соударении с атомом. (зависит от типа материалов и от кристаллического направления)

73. Какие типы радиационных дефектов возникают при облучении быстрыми нейтронами?

Быстрый нейтрон может передать энергию и импульс ядрам, с которыми он взаимодействует, при этом соударявшиеся с ним ядра смещаются из своих регулярных положений в кристалле. Изменяются свойства материалов, существенно снижаются эксплуатационные характеристики и срок службы материалов.

Типы дефектов:

1) Вакансии (в результате столкновения между быстр.нейтронами и ядрами)

2) Межузельные атомы

3) Примесные атомы

4) Ионизация и возбуждения электронов

5) Темп.итепл. пики.

6) Пик смещения

7) Замещения соударения

74. Объяснить модель атомных смещений и модель пика смещений?

Модель атомных смещений. В этой модели выбитый атом смещается из своего равновесного положения или меняет регулярное положение в решетке в результате первичного и вторичного соударения с быстрыми нейтронами (или тяжелыми частицами) и атомами. Энергия, передаваемая нейтроном атому при упругом соударении, может значительно превосходить значение, необходимое для смещения атома в материале атомного реактора. Например, для смещения атома в кристаллической решетке металла нужна энергия около 25 эВ, а для смещения атома в полупроводнике (германий или кремний) требуется около 12–15 эВ. Во многих случаях кинетическая энергия, переданная смещенным атомам, так велика, что они производят в свою очередь вторичные выбитые атомы при упругих столкновениях с ними. Наконец, междоузельные атомы останавливаются в междоузельных положениях и в месте образуют пик смещения.

Модель пика смещения. Область, в которой после диссипации кинетической энергии останавливается в междоузельных положениях очень большое число смещенных атомов и вакансий, составляет пик смещения. Модель пика смещения тесно связана с моделью атомных смещений.

75. Объяснить модель замещающих соударений и модель теплового пика?

Модель замещающих соударений.Несмотря на то, что модели атомных смещений, температурного (теплового) пика, пика смещения и замещающих соударений для объяснения радиационных эффектов были рассмотрены независимо, процессы их образования могут происходить одновременно или друг за другом. Взаимодействие или наложение механизмов атомных смещений и температурных (тепловых) пиков, пиков смещения и замещающих столкновений затрудняет количественную оценку относительного вклада каждого из механизмов.

Модель температурного или теплового пика. Осколок деления обычно растрачивает всю свою энергию, а быстрый нейтрон теряет большую долю энергии за счет упругих взаимодействий в очень малой области материала. В этой области в результате быстрого локального разогрева (из-за диссипации в ней энергии) и быстрого охлаждения (из-за быстрого рассеяния тепла и диффузии) смещенные атомы образуют температурный или тепловой пик в зависимости от числа атомов с повышенным колебательным возбуждением. Установлено, что область пика может содержать 500–10000 атомов и иметь температуру 700–1200 ºС в течении короткого периода времени – около 10-10 с.

76. Классифицировать и описать дефекты в кристаллах?

1) Точечные дефекты. В твердых растворах металлов существуют типичные точечные дефекты: междоузельные атомы, которые являются избыточными атомами в твердых растворах; дефекты Шоттки (отсутствие атомов в регулярных положениях); дефекты Френкеля (пары Френкеля), образованные из междоузельного атома и вакансии, которую этот атом покинул.

2) Линейные дефекты. Дислокация возникает, когда в некоторой плоскости нарушается правильная периодичность расположения атомных рядов в решетке кристалла. Существует два рода линейных дефектов, относящихся к дислокациям: краевая или тейлоровская дислокация, в которой дислокационная линия проявляется как край плоскости, составленной из атомов и вставленной в кристалл; винтовая дислокация, в которой ряд атомов на практически обычной кристаллической плоскости образуют спираль, навитую около некоторого кристаллографического направления. Любую дислокацию всегда можно всегда можно охарактеризовать вектором Бюргерса. Строение винтовой дислокации лучше всего видно при трехмерном изображении кристалла.

3) Плоские дефекты. Если линейные дефекты скапливаются в некоторой плоскости, они могут образовывать плоский дефект. Существуют три типа плоских дефектов: субграничный дефект-граница разориентировки между двумя соседними идеальными областями одного и того же кристалла; зернограничный дефект-граница зерен между двумя кристаллами в поликристаллическом теле; дефект упаковки-граница между двумя частями кристалла с плотной упаковкой, на которой меняется порядок укладки плоскостей. Большинство материалов (в том числе и материалы ядерных реакторов) состоит из множества случайным образом ориентированных мелких сцепленных друг с другом кристаллов или зерен. Границы между соседними зернами, должны соответствовать структуре и ориентации всех зерен, составляющих общую границу. Однако структура самих границ зерен может быть искажена.

4) Дислокации, плоскость скольжения, переползание. Дефекты типа линейных или винтовых дислокаций были первоначально введены для объяснения процесса пластической деформации, роста кристалла, электросопротивления и физических свойств металлических твердых тел.

77. Из потоков каких частиц состоит ядерное излучение реактора, и какие эффекты при этом возникают?

В таблице приведены эффекты в веществе, вызываемые основными частицами электронами (бэтта-излучения), фотонами (гамма-излучения), альфа-частицами, протонами и электронами.

78. Какое урановое топливо представляет собой воспроизводящие материалы для Pu²³⁹ и U²³³?

Поглощение нейтронов 238U может привести к воспроизводству нового топлива (239Pu), которое может использоваться в быстром реакторе-размножителе. Аналогичным образом поглощение нейтронов 232Th может привести к воспроизводству нового топлива (233U). Как 233U, так и 239Рu являются искусственными или синтетическими делящимися материалами, с помощью которых можно получить энергию деления. Таким образом, 238U (или обедненное урановое топливо) и 232Th представляют собой воспроизводящие материалы для получения 239Pu и 233U, a 235U является основным делящимся материалом для получения энергии деления.

79. Назовите три основных класса урановых сплавов, которые могут сохранять защитную оксидную пленку при температурах примерно 350С?

Металлический уран давно используется в качестве топлива в некоторых энергетических реакторах и в большинстве учебных и исследовательских реакторов, которые работают при относительно низких температурах. Наиболее широко используемыми сплавами являются уран-алюминиевые сплавы, применяемые в качестве топлива учебных и исследовательских реакторов; уран-магниевые сплавы, используемые в виде топлива газоохлаждаемых реакторов и уран-молибденовые сплавы, применяемые в качестве топлива быстрых реакторов-размножителей с жидкометаллическим теплоносителем.

80. Назовите основное преимущество металлического урана?

Уран является основным топливом, энергия деления ядер которого используется для производства электроэнергии. Что касается природных ресурсов, то уран более распространен, чем серебро или ртуть. Металлический уран давно используется в качестве топлива в некоторых энергетических реакторах и в большинстве учебных и исследовательских реакторов, которые работают при относительно низких температурах. Наиболее широко используемыми сплавами являются уран-алюминиевые сплавы, применяемые в качестве топлива учебных и исследовательских реакторов; уран-магниевые сплавы, используемые в виде топлива газоохлаждаемых реакторов и уран-молибденовые сплавы, применяемые в качестве топлива быстрых реакторов-размножителей с жидкометаллическим теплоносителем.

81. Известно, что магний используют как материал для оболочки твэлов газоохлаждаемых реакторов, перечислите требования, предъявляемые к таким оболочкам?

Сплавы магния, в частности магнокс А-12 и ZА-сллавы, широко используются в качестве оболочечных материалов, начиная с газоохлаждаемого реактора. Температура плавления магния 650 °С. Он коррозионно стоек против окисления на воздухе, а также в СО2 до температур около 400 °С. Поэтому обычно большинство газоохлаждаемых реакторов работают при низких температурах и малом удельном телловыделении.

82. Что называется радиационным ростом? При каких температурах он происходит и напишите как определяется коэффициент радиационного роста?

Радиационный рост. Радиационный рост представляет собой размерную и структурную нестабильность уранового топлива, обусловленную анизотропией урана. Он происходит в области относительно низких температур, составляющих около 0,2 абсолютной температуры плавления (около 300 °С). Если скорость изменения длины топливного образца при облучении постоянна, то коэффициент радиационного роста Gi в трех кристаллографических направлениях можно определить следующим образом:

83. Назовите различия между радиационным ростом и ростом при термическомциклировании?

Рост при термическомциклировании. Рост поликристаллического урана (уранового топлива) при термическом циклировании также представляет собой размерную и структурную нестабильность при повторных циклах нагрева и охлаждения в температурной области существования α-фазы. Степень размерной и структурной нестабильности зависит главным образом от числа циклов нагрев-охлаждение Nc, которым подвергается образец. Коэффициент роста Gi в трех кристаллографических направлениях в результате термического циклирования образца с исходной длиной L0 и конечной L описывается экспоненциальным выражение:

Рост поликристаллического урана со структурой α-фазы при термическом циклировании обычно связывается с механизмом термического храповика. Работа механизма термического храповика определяется относительным перемещением двух соседних зерен, имеющих в результате анизотропии различные коэффициенты термического расширения, и релаксацией напряжений в одном из зерен за счет пластической деформации (деформации ползучести). Поскольку термическоециклирование является неотъемлемой характеристикой работы уранового топлива в ядерном реакторе, размерные и структурные изменения, обусловленные ростом при термическом циклировании, могут влиять на радиационную стабильность уранового топлива.

Сравнивая уравнения (вопр 82) и (вопр 83) и экспериментальные результаты, можно отметить следующие сходства и различия между радиационным ростом и ростом при термическомциклировании уранового топлива.

Различия:

1. Радиационный рост происходит при относительно низких температурах, составляющих около 0,2 Tпл (около 300 °С), тогда как рост при термическом циклировании происходит при всех температурах.

2. Радиационный рост может наблюдаться в монокристаллах, а для роста при термическомциклировании необходимы кристаллические зерна с истинными границами.

3. Радиационный рост сопровождается радиационным упрочнением и охрупчиванием, рост при термическомциклировании-нет.

4. Радиационный рост происходит с максимальной скоростью при температурах около 300 °С и прекращается при температурах выше 450 °С. Интенсивность роста при термическом циклировании увеличивается с повышением верхней температуры цикла, увеличением температурного интервала цикла и числа циклов. Рост практически не происходит, если верхняя температура цикла составляет менее 350 °С.

5. Микроструктурная пористость, появляющаяся во время термической циклической обработки урана, имеет механическую природу. Пористость в облученном уране связана с образованием пузырьков газообразных продуктов деления и распуханием.