Радиационное материаловедение

Радиационное материаловедение — раздел материаловедения, изучающий взаимодействие излучения с веществом: обширная тема, охватывающая многие формы облучения и вещества.

Основная цель радиационного материаловедения

Некоторые из наиболее глубоких эффектов облучения на материалы происходят в активной зоне ядерных энергетических реакторов, где атомы, составляющие структурные компоненты, смещаются много раз в течение их инженерного срока службы. Последствия облучения для компонентов активной зоны включают изменения формы и объема на десятки процентов, увеличение твердости в пять и более раз, серьезное снижение пластичности и повышенную хрупкость, а также восприимчивость к растрескиванию под воздействием окружающей среды. Для того чтобы эти структуры выполняли свое предназначение, требуется четкое понимание воздействия облучения на материалы, чтобы учитывать эффекты облучения при проектировании, смягчать его воздействие путем изменения условий эксплуатации или служить руководством для создания новых, более радиационно-устойчивых материалов, которые могут лучше соответствовать своему назначению.

Радиация

Типы излучения, которые могут изменять структурные материалы, — это нейтронное излучение, ионные пучки, электроны (бета-частицы) и гамма-лучи. Все эти формы излучения обладают способностью смещать атомы из их узлов решетки, что является фундаментальным процессом, который управляет изменениями в структурных металлах. Включение ионов в число облучающих частиц обеспечивает связь с другими областями и дисциплинами, такими как использование ускорителей для трансмутации ядерных отходов или создание новых материалов путем ионной имплантации, ионно-лучевого смешивания, плазменно-ассистированной ионной имплантации и ионно-лучевого осаждения.

Влияние облучения на материалы коренится в начальном событии, в котором энергичный снаряд поражает цель. Хотя событие состоит из нескольких этапов или процессов, основным результатом является смещение атома из его узла решетки. Облучение смещает атом из его узла, оставляя после себя свободное место (вакансию), и смещенный атом в конечном итоге останавливается в месте, которое находится между узлами решетки, становясь межузельным атомом. Пара вакансия-междоузель занимает центральное место в радиационных эффектах в кристаллических твердых телах и известна как пара Френкеля. Наличие пары Френкеля и другие последствия повреждения облучением определяют физические эффекты, а при приложении напряжения будут осуществляться механические эффекты облучения за счет возникновения межузельных явлений, таких как набухание, рост, фазовый переход, сегрегация и т. д. В дополнение к смещению атома энергичная заряженная частица, движущаяся в решетке, также передает энергию электронам в системе через электронную тормозную способность. Такая передача энергии может также вызывать повреждения высокоэнергетических частиц в неметаллических материалах, например, в виде ионных треков и треков деления в минералах.

Радиационное повреждение

Событие радиационного повреждения определяется как передача энергии от падающего снаряда к твердому телу и результирующее распределение атомов мишени после завершения события. Это событие состоит из нескольких отдельных процессов:

Результатом радиационного повреждения является, если энергия, сообщенная атому решетки, превышает пороговую энергию смещения, создание совокупности точечных дефектов (вакансий и междоузлий) и скоплений этих дефектов в кристаллической решетке.

Суть количественной оценки радиационного поражения твердых тел заключается в количестве перемещений на единицу объема за единицу времени ${\displaystyle R}$ :

${\displaystyle R=N\int _{E_{min}}^{E_{max}}\int _{T_{min}}^{T_{max}}\phi (E_{i})\,\sigma (E_{i},T)\,\upsilon (T)\,dT\,dE_{i}.}$

где ${\displaystyle N}$ — плотность числа атомов, ${\displaystyle E_{max}}$ и ${\displaystyle E_{min}}$ — максимальная и минимальная энергии входящей частицы, ${\displaystyle \phi (E_{i})}$ — поток частиц, зависящий от энергии, ${\displaystyle T_{max}}$ и ${\displaystyle T_{min}}$ — максимальная и минимальная энергия, передаваемая при столкновении частицы энергии ${\displaystyle E_{i}}$ и атом решетки, стиль ${\displaystyle \sigma (E_{i},T)}$ — сечение столкновения частицы энергии ${\displaystyle E_{i}}$, что приводит к передаче энергии ${\displaystyle T}$ к пораженному атому, стиль ${\displaystyle \upsilon (T)}$ — количество смещений на один первичный атом, пришедший на смену.

Две ключевые переменные в этом уравнении — это ${\displaystyle \sigma (E_{i},T)}$ и ${\displaystyle \upsilon (T)}$. Термин ${\displaystyle \sigma (E_{i},T)}$ описывает передачу энергии от входящей частицы к первому атому, с которым она сталкивается в цель, первичный выбитый атом; Вторая величина ${\displaystyle \upsilon (T)}$ — это общее число смещений, которые совершает первичный выбитый атом в твердом теле; Взятые вместе, они описывают общее количество смещений, вызванных входящей частицей энергии ${\displaystyle E_{i}}$, а приведенное выше уравнение учитывает распределение энергии входящих частиц. Результат — общее число смещений в мишени от потока частиц с известным распределением энергии.

В радиационном материаловедении повреждение смещения в сплаве ( ${\displaystyle \left[dpa\right]}$ = смещений на атом в solid ) лучше отражает влияние облучения на свойства материалов, чем флюенс (флюенс нейтронов, ${\displaystyle \left[MeV\right]}$ ).

См. также эффект Вигнера.

Радиационно-стойкие материалы

Чтобы создавать материалы, которые соответствуют растущим требованиям ядерных реакторов для работы с более высокой эффективностью или в течение более длительного срока службы, материалы должны быть спроектированы с учетом радиационной стойкости. В частности, ядерные реакторы поколения IV работают при более высоких температурах и давлениях по сравнению с современными реакторами с водой под давлением, которые составляют огромное количество западных реакторов. Это приводит к повышенной уязвимости к обычным механическим отказам с точки зрения сопротивления ползучести, а также к радиационным повреждениям, таким как нейтронно-индуцированное распухание и радиационно-индуцированное расслоение фаз. При учете радиационного повреждения реакторные материалы смогут выдерживать более длительный срок эксплуатации. Это позволяет выводить реакторы из эксплуатации после более длительных периодов времени, повышая окупаемость инвестиций в реакторы без ущерба для безопасности. Это представляет особый интерес для разработки коммерческой жизнеспособности усовершенствованных и теоретических ядерных реакторов, и эта цель может быть достигнута путем инженерной устойчивости к этим событиям смещения.

Инженерия границ зерен

Гранецентрированные кубические металлы, такие как аустенитные стали и сплавы на основе Ni, могут получить большую выгоду от инженерии границ зерен. Инженерия границ зерен пытается создать большее количество специальных границ зерен, характеризующихся благоприятной ориентацией между зернами. Увеличивая популяции низкоэнергетических границ без увеличения размера зерна, механика разрушения этих гранецентрированных кубических металлов может быть изменена для улучшения механических свойств, учитывая схожее значение смещения на атом по сравнению со сплавами, не имеющими границ зерен. Этот метод обработки, в частности, обеспечивает лучшую устойчивость к коррозионному растрескиванию под напряжением и окислению.

Выбор материалов

Используя передовые методы выбора материалов, материалы можно оценивать по таким критериям, как площадь поперечного сечения поглощения нейтронов. Выбор материалов с минимальным поглощением нейтронов может значительно минимизировать количество смещений на атом, которые происходят в течение срока службы материала реактора. Это замедляет процесс радиационного охрупчивания, в первую очередь предотвращая подвижность атомов, заблаговременно выбирая материалы, которые не так часто взаимодействуют с ядерным излучением. Это может оказать огромное влияние на общий ущерб, особенно при сравнении материалов современных усовершенствованных реакторов из циркония с активными зонами реакторов из нержавеющей стали, которые могут на порядок отличаться по сечению поглощения от более оптимальных материалов.

Примеры значений сечения тепловых нейтронов приведены в таблице ниже.

Самоорганизация ближнего порядка (SRO)

Для сплавов никель-хром и железо-хром можно создать ближний порядок на наноуровне (<5 нм), который поглощает межузельные структуры и вакансии, образующиеся в результате событий первичного присоединения атомов. Это позволяет создавать материалы, которые смягчают набухание, которое обычно происходит при наличии высоких смещений на атом, и сохраняют общее процентное изменение объема в пределах десяти процентов. Это происходит за счет создания метастабильной фазы, которая находится в постоянном динамическом равновесии с окружающим материалом. Эта метастабильная фаза характеризуется наличием энтальпии смешения, которая фактически равна нулю по отношению к основной решетке. Это позволяет фазовому преобразованию поглощать и рассеивать точечные дефекты, которые обычно накапливаются в более жестких решетках. Это продлевает срок службы сплава за счет того, что образование вакансий и межузельных образований становится менее успешным, поскольку постоянное нейтронное возбуждение в виде каскадов смещений трансформирует фазу SRO, в то время как SRO реформируется в объемном твердом растворе.

Ресурсы