Радиационное материаловедение

Изучение взаимодействия излучения и вещества

Радиационное материаловедение — подраздел 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 служить 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 среди 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 вакансию (вакансию ) , и смещенный атом в конечном итоге останавливается в месте, которое находится между узлами решетки, становясь межузельным атомом. Пара вакансия-междоузель является центральной для радиационных эффектов в кристаллических твердых телах и известна как пара Френкеля . Наличие пары Френкеля и другие последствия радиационного повреждения определяют физические эффекты, и 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 в неметаллических материалах, например, в виде ионных треков и треков деления в минералах. ^{[1] [2]}

Последовательность изображений временного развития каскада столкновений в режиме теплового пика, вызванного ионами Xe с энергией 30 кэВ, воздействующими на Au в условиях каналирования. Изображение получено с помощью классической молекулярно-динамической симуляции каскада столкновений. Изображение показывает поперечное сечение двух атомных слоев в середине трехмерной ячейки моделирования. Каждая сфера иллюстрирует положение атома, а цвета показывают кинетическую энергию каждого атома, как указано на шкале справа. В конце остаются как точечные дефекты , так и дислокационные петли.

Радиационное поражение

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 падающей частицы с атомом решетки
2. Передача кинетической энергии атому решетки, приводящая к рождению первичного выбитого атома
3. Смещение атома из его узла решетки
4. Прохождение смещенного атома через решетку и сопутствующее создание дополнительных выбитых атомов
5. Создание каскада смещений (совокупность точечных дефектов, созданных первично выбитым атомом)
6. Прекращение существования первичного выбитого атома в качестве междоузельного

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 числе перемещений в единице 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 — плотность числа атомов, — максимальная и минимальная энергии входящей частицы, — поток частиц, зависящий от энергии, и — максимальная и минимальная энергии, передаваемые при столкновении частицы энергии и атома решетки, — поперечное сечение столкновения частицы энергии , приводящее к передаче энергии ударяемому атому, — число смещений на один первично выбитый атом. ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle E_{max}}$ ${\displaystyle E_{min}}$ ${\displaystyle \phi (E_{i})}$ ${\displaystyle T_{max}}$ ${\displaystyle T_{min}}$ ${\displaystyle E_{i}}$ ${\displaystyle \sigma (E_{i},T)}$ ${\displaystyle E_{i}}$ ${\displaystyle T}$ ${\displaystyle \upsilon (T)}$

Две ключевые переменные в этом уравнении — и . Термин описывает передачу энергии от входящей частицы к первому атому, с которым она сталкивается в мишени, первичному выбитому атому; Вторая величина — это общее число смещений, которые первичный выбитый атом совершает в твердом теле; Взятые вместе, они описывают общее число смещений, вызванных входящей частицей энергии , а приведенное выше уравнение учитывает распределение энергии входящих частиц. Результатом является общее число 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 смещение в сплаве ( = смещение на атом в твердом теле ) является лучшим представлением влияния облучения на свойства материалов, чем флюенс (нейтронный флюенс ). ${\displaystyle \left[dpa\right]}$ ${\displaystyle \left[MeV\right]}$

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 материалы реакторов 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 смещений 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. ^[3]

Выбор материалов

Используя передовые методы выбора материалов , можно оценивать материалы 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 , предотвращая подвижность атомов в первую очередь, заранее выбирая материалы, которые не взаимодействуют с ядерным излучением так часто. Это может оказать огромное влияние на общий ущерб, особенно при сравнении материалов современных передовых реакторов из циркония с активными зонами реакторов из нержавеющей стали, которые могут отличаться по сечению поглощения на порядок от более оптимальных материалов. ^[4]

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

Самоорганизация ближнего порядка (SRO)

Для сплавов никель-хром и железо-хром ближний порядок может быть разработан в наномасштабе (<5 нм), который поглощает интерстиции и вакансии, генерируемые первичными событиями выбивания атомов. Это позволяет использовать материалы, которые смягчают набухание, которое обычно происходит при наличии высоких смещений на атом, и поддерживают общее изменение процента объема в диапазоне десяти процентов. Это происходит посредством 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 превращению поглощать и рассеивать точечные дефекты, которые обычно накапливаются в более жестких решетках. Это продлевает срок службы сплава, делая создание вакансий и интерстиций менее успешным, поскольку постоянное возбуждение нейтронов в форме каскадов смещения преобразует фазу SRO, в то время как SRO реформируется в объемном твердом растворе. ^[6]

Ресурсы

• Основы радиационного материаловедения: металлы и сплавы, 2-е изд., Гэри С. Уос, SpringerNature, Нью-Йорк, 2017 г.
• RS Averback и T. Diaz de la Rubia (1998). «Повреждения смещения в облученных металлах и полупроводниках». В H. Ehrenfest и F. Spaepen. Solid State Physics 51. Academic Press. стр. 281–402.
• Р. Смит, ред. (1997). Атомные и ионные столкновения в твердых телах и на поверхностях: теория, моделирование и приложения. Cambridge University Press. ISBN  0-521-44022-X .

Ссылки

1. A. Meftah; et al. (1994). «Формирование трека в кварце SiO ₂ и механизм термического пика». Physical Review B. 49 ( 18): 12457–12463. Bibcode :1994PhRvB..4912457M. doi :10.1103/PhysRevB.49.12457. PMID  10010146.
2. C. Trautmann; S. Klaumünzer; H. Trinkaus (2000). "Влияние напряжения на формирование треков в аморфном сплаве железа и бора: ионные треки как упругие включения" (PDF) . Physical Review Letters . 85 (17): 3648–51. Bibcode :2000PhRvL..85.3648T. doi :10.1103/PhysRevLett.85.3648. PMID  11030972.
3. Тан, Л.; Аллен, ТР; Басби, Дж. Т. (2013-10-01). «Инженерия границ зерен для конструкционных материалов ядерных реакторов». Журнал ядерных материалов . 441 (1–3): 661–666. Bibcode : 2013JNuM..441..661T. doi : 10.1016/j.jnucmat.2013.03.050.
4. Эшби, М. Ф. и Майкл Смидман. «Материалы для ядерных энергетических систем». Granta Design: Эксперты по информационным технологиям в области материалов. Granta Design, январь 2010 г. Веб-сайт. 1 ноября 2015 г. http://www.grantadesign.com/download/pdf/nuclear.pdf . ^{[ нерабочая ссылка ]}
5. "Циркониевые сплавы реакторного качества для утилизации ядерных отходов" (PDF) . Allegheny Technologies . 2003 . Получено 1 ноября 2015 .
6. Колотушкин, В. П.; Парфенов, А. А. (2010-07-20). «Самоорганизация нанокристаллической структуры в сплавах переходных металлов под действием температуры и облучения как основа проектирования радиационно-стойких конструкционных материалов для ядерных реакторов». Металлургия . 2010 (3): 197–206. Bibcode :2010RuMet2010..197K. doi :10.1134/S0036029510030092. ISSN  0036-0295. S2CID  94970011.

Внешние ссылки

• Медиа, связанные с радиационной материаловедением на Wikimedia Commons