Эффект Вигнера (названный по имени его первооткрывателя Юджина Вигнера ) [1] , также известный как эффект дискомпозиции или болезнь Вигнера [2] , представляет собой смещение атомов в твердом теле, вызванное нейтронным излучением .
Эффект Вигнера может проявляться в любом твердом теле. Этот эффект вызывает наибольшую озабоченность в замедлителях нейтронов , таких как графит , предназначенных для снижения скорости быстрых нейтронов , тем самым превращая их в тепловые нейтроны , способные поддерживать цепную ядерную реакцию с участием урана-235 .
Чтобы вызвать эффект Вигнера, нейтроны , сталкивающиеся с атомами в кристаллической структуре, должны обладать достаточной энергией , чтобы вытеснить их из решетки. Эта величина ( пороговая энергия смещения ) составляет приблизительно 25 эВ . Энергия нейтрона может варьироваться в широких пределах, но нередко в центре ядерного реактора энергии достигают и превышают 10 МэВ (10 000 000 эВ) . Нейтрон со значительным количеством энергии создаст каскад смещений в матрице посредством упругих столкновений .
Например, нейтрон с энергией 1 МэВ, ударяющий по графиту, создаст 900 смещений. Не все смещения создадут дефекты, поскольку некоторые из ударенных атомов найдут и заполнят вакансии, которые были либо небольшими уже существующими пустотами, либо вакансиями, вновь образованными другими ударенными атомами.
Атомы, которые не находят вакансию, останавливаются в неидеальных местах; то есть не вдоль симметричных линий решетки. Эти интерстициальные атомы (или просто «интерстициалы») и связанные с ними вакансии являются дефектом Френкеля . Поскольку эти атомы не находятся в идеальном месте, с ними связана энергия Вигнера , подобно тому, как мяч на вершине холма имеет гравитационную потенциальную энергию .
Когда накапливается большое количество интерстициалов, они рискуют внезапно высвободить всю свою энергию, создавая быстрое, большое повышение температуры. Внезапное, незапланированное повышение температуры может представлять большой риск для определенных типов ядерных реакторов с низкими рабочими температурами. Один из таких выбросов был косвенной причиной пожара в Уиндскейле . Накопление энергии в облученном графите было зарегистрировано на уровне 2,7 кДж /г, но обычно оно намного ниже этого. [3]
Несмотря на некоторые сообщения, [4] накопление энергии Вигнера не имело никакого отношения к причине чернобыльской катастрофы : этот реактор, как и все современные энергетические реакторы, работал при достаточно высокой температуре, чтобы позволить смещенной графитовой структуре перестроиться до того, как какая-либо потенциальная энергия могла быть сохранена. [5] Энергия Вигнера могла сыграть некоторую роль после мгновенного критического нейтронного всплеска, когда авария вошла в фазу событий возгорания графита.
Накопление энергии Вигнера может быть снято путем нагревания материала. Этот процесс известен как отжиг . В графите это происходит при 250 °C (482 °F). [6]
В 2003 году было высказано предположение, что энергия Вигнера может сохраняться за счет образования метастабильных дефектных структур в графите. Примечательно, что большое выделение энергии, наблюдаемое при 200–250 ° C, было описано в терминах метастабильной пары межузельный атом-вакансия. [7] Межузельный атом оказывается захваченным на краю вакансии, и существует барьер для его рекомбинации с образованием идеального графита.