Влияние облучения на свойства и характеристики материалов.

Взаимодействие элементарных частиц с веществ

Радиационное повреждение - изменение ядерных, физических, тепловых, химических или механических свойств материалов ядерных реакторов под влиянием интенсивного облучения. Главным радиационными эффектами являются ионизация и атомные смещения. Ионизация в металлах быстро релаксирует.

Атомные смещения, созданные, например, нейтронами, остаются в качестве повреждения. Поскольку нейтрон не имеет заряда, он создает радиационное повреждение только при взаимодействии с ядрами материалов ядерных реакторов. Быстрый нейтрон может передать энергию и импульс ядрам, с которыми он взаимодействует, при этом соударившиеся с ним ядра смещаются из своих регулярных положений в кристалле. При облучении нейтронами изменяются свойства материалов и существенно снижаются эксплуатационные характеристики и срок службы материалов ядерных реакторов.

Существуют несколько типов радиационных дефектов, создаваемых интенсивным ядерным излучением, в частности при облучении быстрыми нейтронами.

1. Вакансии. Образование вакансионных мест в кристаллической решетке происходитв результате столкновения между быстрыми нейтронами и ядрами или атомами. Энергия, передавемая быстрым нейтроном ядру, обычно так велика, что каждое первичное соударение приводит к выбиванию атома и последующему каскаду столкновений с образованием вакансий.

2. Междоузельные атомы. Это атомы, смещенные при соударениях в междоузельные или нерегулярные неравновесные положения и не рекомбинировавшие с ближайшими вакансиями.

3. Примесные атомы. Образуются при ядерных превращениях в результате соударений падающих нейтронов с регулярными ядрами материалов ядерных реакторов. Продукты деления, такие как Мо, Zr и Ru (или смесь продуктов деления), образованные в ядерных реакциях деления, являются примесными элементами в ядерных топливах.

4. Ионизация и возбуждение электронов. Нейтроны и γ-излучение при их прохождении через вещество могут создавать местную ионизацию и возбуждение электронов, которые могут сообщить ядрам или атомам добавочную колебательную энергию.

5. Температурные или тепловые пики. Атомы в этом случае имеют по сравнению с их обычным состоянием высокие энергии колебаний. Область, в которой большое число атомов вовлечено в сильно возбужденное колебательное состояние, называется температурным пиком. Если колебательное возбуждение относительно невелико, так что в нем участвует небольшое число атомов, или регулярные положения покинули мало атомов, это слабое колебательное возбуждение называют тепловым пиком.

6.Пик смещения. Представление о пике смещения основано на модели атомных смещений, в которой первично выбитые атомы создают последующие каскады столкновения и достаточно большое колебательное возбуждение позволяет сразу многим атомам покинуть их места в решетке и передвигаться в область пика смещения. Обычно в этой области имеется много вакансий, междоузельных атомов и других нарушений кристаллической решетки.

7. Замещение соударения. После соударения движущегося междоузельного атома с регулярным атомом налетающий атом падает в вакансионное положение и там диссипирует избыточную энергию в виде колебаний решетки. Происшедший в результате этого соударения и замедления обмен движущегося междоузельного атома с атомом в регулярном положении называют замещающим соударением.

Первые три дефекта принято считать основными дефектами кристаллического строения, возникающих при облучении материалов ядерных реакторов нейтронами. Последние четыре представляют собой скопления кристаллических дефектов. Результаты экспериментов, проведенных на материалах после облучения, подтверждают феноменологическую картину кристаллографических дефектов при радиационном повреждении материалов нейтронами.

Возможность модели механизмов радиационного повреждения. В результате облучения материалов ядерных реакторов быстрыми нейтронами возникают локализованные дефекты решетки, т.е. нарушение ее кристаллической структуры. Для объяснения радиационного повреждения различных материалов были предложены многочисленные модели и теории. Среди них есть несколько моделей первичных процессов радиационного повреждения: 1. Модель атомных смещений. 2. Модель температурного или теплового пика. 3. Модель пика смещения. 4. Модель замещающих соударений.Энергии пороговых смещений– 15..30эВ.

Все основные изменения свойств материалов под действием облучения можно разделить на: 1) структурные и механические, связанные с локальной деформацией; 2) электрические и физические, связанные главным образом, с захватом заряда (дырки электроны в полупроводниковых материалах) дефектами решетки. Кроме того, под действием облучения также изменяются тепловые свойства и контролируемые диффузией кинетические процессы.

На радиационное повреждение, изменение свойств ядерных материалов оказывают существенное влияние плотность потока излучения; энергия частиц или их энергетический спектр; время и температура облучения.