Радиационное материаловедение

Радиационное материаловедение описывает взаимодействие излучения с веществом : обширная тема, охватывающая многие формы излучения и материи.

Основная цель радиационного материаловедения [ править ]

Некоторые из наиболее серьезных эффектов облучения материалов происходят в активной зоне ядерных энергетических реакторов, где атомы, составляющие структурные компоненты, смещаются многократно в течение их инженерного срока службы. Последствия излучения для компонентов активной зоны включают изменение формы и объема на десятки процентов, повышение твердости в пять или более раз, резкое снижение пластичности и повышенную хрупкость.и склонность к растрескиванию, вызванному окружающей средой. Чтобы эти структуры выполняли свое предназначение, необходимо твердое понимание воздействия излучения на материалы, чтобы учесть эффекты излучения в конструкции, смягчить его влияние путем изменения условий эксплуатации или служить руководством для создания новых, более радиационно-стойкие материалы, которые могут лучше служить своей цели.

Радиация [ править ]

Типы излучения, которые могут изменить конструкционные материалы, включают нейтроны , ионы , электроны и гамма-лучи . Все эти формы излучения обладают способностью вытеснять атомы из узлов их решетки, что является фундаментальным процессом, который приводит к изменениям в структурных металлах. Включение ионов среди облучающих частиц обеспечивает врезки в других областях и дисциплинах , таких как использование ускорителей для превращения из радиоактивных отходов , или в создании новых материалов путем ионной имплантации , смешивания ионного пучка , с помощью плазмы ионной имплантации иионно-лучевое осаждение .

Воздействие облучения на материалы уходит корнями в начальное событие, когда энергетический снаряд поражает цель. Хотя событие состоит из нескольких этапов или процессов, основным результатом является смещение атома из узла его решетки. Облучение смещает атом с его узла, оставляя после себя вакантный узел ( вакансию ), и смещенный атом в конечном итоге останавливается в месте, которое находится между узлами решетки, становясь межузельным атомом. Пара вакансия-междоузлия играет центральную роль в радиационных эффектах в кристаллических твердых телах и известна как пара Френкеля . Наличие пары Френкеля и другие последствия радиационного поражения определяют физические эффекты, и с применениемнапряжения , механические эффекты облучения за счет возникновения промежуточных явлений, таких как набухание , рост , фазовый переход , сегрегация и т.д. В дополнение к атомному смещению энергичная заряженная частица, движущаяся в решетке, также передает энергию электронам в системе через электронную тормозную способность . Эта передача энергии может также для частиц высокой энергии вызывать повреждение неметаллических материалов в виде так называемых ионных треков . ^{[1] [2]}

Последовательность изображений временного развития каскада столкновений в режиме теплового пика, вызванного воздействием иона Xe с энергией 30 кэВ на Au в условиях каналирования. Изображение получено с помощью классического молекулярно-динамического моделирования каскада столкновений. На изображении показано поперечное сечение двух атомных слоев в центре трехмерной ячейки моделирования. Каждая сфера показывает положение атома, а цвета показывают кинетическую энергию каждого атома, как показано на шкале справа. В итоге остаются как точечные дефекты, так и дислокационные петли.

Радиационные повреждения [ править ]

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:

1. Взаимодействие энергичной налетающей частицы с атомом решетки
2. Передача кинетической энергии атому решетки, в результате чего рождается первичный ударный атом
3. Смещение атома из узла его решетки
4. Прохождение смещенного атома через решетку и сопутствующее создание дополнительных выбиваемых атомов.
5. Создание каскада смещения (совокупность точечных дефектов, созданных первичным ударным атомом)
6. Прекращение первичного выбитого атома как межузельного

Результатом события радиационного повреждения является, если энергия, передаваемая атому решетки, выше пороговой энергии смещения , создание совокупности точечных дефектов (вакансий и междоузлий) и кластеров этих дефектов в кристаллической решетке.

Суть количественной оценки радиационных повреждений твердых тел заключается в количестве перемещений на единицу объема в 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 есть плотность атомов, и являются максимальной и минимальной энергией поступающей частицы, является потоком частиц зависят от энергии, и являются максимальными и минимальной энергией , передаваемой при столкновении частицы энергии и решетке атома, является кросс сечение столкновения частицы энергии, которое приводит к передаче энергии пораженному атому, представляет собой число смещений на первичный ударный атом.${\ displaystyle N}$${\displaystyle E_{max}}$${\displaystyle E_{min}}$${\displaystyle \phi (E_{i})}$${\displaystyle T_{max}}$${\displaystyle T_{min}}$${\displaystyle E_{i}}$${\displaystyle \sigma (E_{i},T)}$${\displaystyle E_{i}}$${\displaystyle T}$${\displaystyle \upsilon (T)}$

Двумя ключевыми переменными в этом уравнении являются и . Этот термин описывает передачу энергии от падающей частицы к первому атому, с которым она сталкивается в мишени, первичному ударующему атому; Вторая величина - это общее число смещений, которые первичный выбивающий атом совершает в твердом теле; Взятые вместе, они описывают общее количество смещений, вызванных падающей частицей энергии , а приведенное выше уравнение учитывает распределение энергии падающих частиц. В результате получается общее количество смещений в мишени от потока частиц с известным распределением энергии.${\displaystyle \sigma (E_{i},T)}$${\displaystyle \upsilon (T)}$${\displaystyle \sigma (E_{i},T)}$${\displaystyle \upsilon (T)}$${\displaystyle E_{i}}$

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

Радиационно-стойкие материалы [ править ]

Чтобы создавать материалы, которые соответствуют растущим требованиям ядерных реакторов для работы с более высокой эффективностью или с более длительным сроком службы, материалы должны разрабатываться 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 нормальным механическим повреждениям с точки зрения сопротивления ползучести, а также к радиационным повреждениям, таким как нейтронно-индуцированное набухание и радиационно-индуцированная сегрегация фаз.. С учетом радиационного повреждения материалы реактора смогут выдерживать более длительный срок эксплуатации. Это позволяет выводить реакторы из эксплуатации через более длительные периоды времени, повышая рентабельность инвестиций в реакторы без ущерба для безопасности. Это представляет особый интерес для развития коммерческой жизнеспособности перспективных и теоретических ядерных реакторов, и эта цель может быть достигнута за счет инженерного сопротивления этим событиям смещения.

Инженерия границ зерен [ править ]

Гранецентрированные кубические металлы, такие как аустенитные стали и сплавы на основе никеля, могут значительно выиграть от инженерии границ зерен. Инженерия границ зерен пытается создать большее количество специальных границ зерен, характеризующихся благоприятной ориентацией между зернами. Увеличивая заселенность низкоэнергетических границ без увеличения размера зерен, можно изменить механику разрушения этих гранецентрированных кубических металлов для улучшения механических свойств при аналогичных смещениях на атом по сравнению с конструктивными сплавами без границ зерен. Этот метод обработки, в частности, обеспечивает лучшую стойкость к коррозионному растрескиванию под напряжением и окислению. ^[3]

Выбор материалов [ править ]

Используя передовые методы выбора материалов, можно судить о материалах 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, заранее выбирая материалы, которые не так часто взаимодействуют с ядерным излучением. Это может иметь огромное влияние на общий ущерб, особенно при сравнении материалов современных усовершенствованных реакторов из циркония и активной зоны реакторов из нержавеющей стали, которые могут на порядок отличаться по поперечному сечению поглощения от более оптимальных материалов. ^[4]

Примеры значений поперечного сечения тепловых нейтронов показаны в таблице ниже. ^[5]

Самоорганизация ближнего порядка (СРО) [ править ]

Для никель-хромовых и железо-хромовых сплавов ближний порядок может быть разработан в наномасштабе (<5 нм), который поглощает межузельные и вакансии, генерируемые событиями первичного выбивания атомов. Это позволяет использовать материалы, которые уменьшают набухание, которое обычно происходит при наличии больших смещений на атом, и поддерживают изменение общего объемного процента в пределах десяти процентов. Это происходит за счет создания метастабильной фазы, которая находится в постоянном динамическом равновесии с окружающим материалом. Эта метастабильная фаза характеризуется энтальпией смешения, которая фактически равна нулю по отношению к основной решетке. Это позволяет фазовому превращению поглощать и рассеивать точечные дефекты, которые обычно накапливаются в более жестких решетках.Это продлевает срок службы сплава, делая создание вакансий и междоузлий менее успешным, поскольку постоянное нейтронное возбуждение в виде каскадов смещения преобразует фазу SRO, в то время как SRO преобразуется в объемном твердом растворе.^[6]

Ресурс [ править ]

• Основы радиационного материаловедения: металлы и сплавы, 2-е изд., Гэри С. Уос, SpringerNature, Нью-Йорк, 2017 г.
• Р.С. Авербек и Т. Диас де ла Рубиа (1998). «Повреждение смещения в облученных металлах и полупроводниках». У Х. Эренфеста и Ф. Спапена. Физика твердого тела 51. Academic Press. С. 281–402.
• Р. Смит, изд. (1997). Столкновения атомов и ионов в твердых телах и на поверхностях: теория, моделирование и приложения. Издательство Кембриджского университета. ISBN  0-521-44022-X .

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• СМИ, связанные с радиационным материаловедением на Викискладе?