Радиационное повреждение – это воздействие ионизирующего излучения на физические объекты, в том числе неживые конструкционные материалы. Это может быть как вредно, так и полезно для материалов.
Радиобиология – это изучение действия ионизирующего излучения на живые существа , включая влияние радиации на здоровье человека . Высокие дозы ионизирующего излучения могут привести к повреждению живых тканей, например, радиационному ожогу и вредным мутациям , например, превращению клеток в раковые , а также могут привести к проблемам со здоровьем, таким как радиационное отравление .
Это излучение может принимать несколько форм:
Радиация может воздействовать на материалы и устройства как вредно, так и благотворно:
Многие из радиационных воздействий на материалы возникают в результате каскадов столкновений и покрываются радиационной химией .
Радиация может оказывать вредное воздействие на твердые материалы, поскольку она может ухудшить их свойства и лишить их механической прочности. Это вызывает особую озабоченность, поскольку может сильно повлиять на их способность работать в ядерных реакторах, и на этом акцентирует внимание радиационное материаловедение , которое стремится смягчить эту опасность.
В результате их использования и воздействия радиации особое внимание уделяется изучению воздействия на металлы и бетон . Для металлов воздействие радиации может привести к радиационному упрочнению, которое упрочняет материал и впоследствии делает его хрупким (снижает ударную вязкость , что приводит к хрупкому разрушению ). Это происходит в результате выбивания атомов из узлов решетки как посредством первоначального взаимодействия, так и в результате каскада повреждений, приводящего к созданию дефектов, дислокаций (аналогично наклепу и дисперсионному твердению ). Было показано, что инженерия границ зерен посредством термомеханической обработки смягчает эти эффекты за счет изменения режима разрушения с межзеренного (происходящего вдоль границ зерен) на трансзеренный. Это увеличивает прочность материала, смягчая охрупчивающее воздействие радиации. [1] Радиация также может приводить к сегрегации и диффузии атомов внутри материалов, что приводит к расслоению фаз и образованию пустот, а также усиливает эффекты коррозионного растрескивания под напряжением за счет изменений как в химическом составе воды, так и в микроструктуре сплава. [2] [3]
Поскольку бетон широко используется при строительстве атомных электростанций, где он обеспечивает структуру, а также удерживает радиацию, влияние радиации на него также представляет большой интерес. В течение своего срока службы бетон естественным образом меняет свойства из-за нормального процесса старения, однако ядерное воздействие приведет к потере механических свойств из-за набухания заполнителей бетона и, таким образом, к повреждению сыпучего материала. Например, биологическая защита реактора часто состоит из портландцемента , куда добавляют плотные заполнители, чтобы уменьшить поток радиации через защиту. Эти агрегаты могут разбухнуть и сделать щит механически неработоспособным. Многочисленные исследования показали снижение прочности как на сжатие, так и на растяжение, а также модуля упругости бетона при дозе около 10 19 нейтронов на квадратный сантиметр. [4] Было также показано, что эти тенденции существуют в железобетоне , композите бетона и стали. [5]
Знания, полученные в результате текущего анализа материалов в реакторах деления в отношении влияния температуры, дозы облучения, состава материалов и обработки поверхности, будут полезны при проектировании будущих реакторов деления, а также при разработке термоядерных реакторов . [6]
Твердые тела, подверженные радиации, постоянно бомбардируются частицами высокой энергии. Взаимодействие между частицами и атомами в решетке материалов реактора вызывает смещение атомов. [7] В ходе длительной бомбардировки некоторые атомы не останавливаются в узлах решетки, что приводит к созданию дефектов . Эти дефекты вызывают изменения микроструктуры материала и в конечном итоге приводят к ряду радиационных эффектов.
Вероятность взаимодействия между двумя атомами зависит от сечения тепловых нейтронов (измеряется в барнах ). Учитывая макроскопическое сечение ( где – микроскопическое сечение, – плотность атомов в мишени) и скорость реакции (где – поток пучка), вероятность взаимодействия становится . [ необходимы разъяснения ] Ниже перечислены поперечные сечения обычных атомов или сплавов.
Сечения тепловых нейтронов (Амбар) [8]
Микроструктурная эволюция материала обусловлена накоплением дефектов в течение периода длительного воздействия радиации. Это накопление лимитируется рекомбинацией дефектов, кластеризацией дефектов и аннигиляцией дефектов на стоках. Дефекты должны термически мигрировать к стокам и при этом часто рекомбинировать или достигать стоков для рекомбинации. В большинстве случаев D рад = D v C v + D i C i >> D therm , т. е. движение междоузлий и вакансий по решеточной структуре материала в результате излучения часто перевешивает термическую диффузию тот же материал.
Одним из последствий потока вакансий к стокам является соответствующий поток атомов от стока. Если вакансии не уничтожаются и не рекомбинируются перед сбором в стоках, они образуют пустоты. При достаточно высокой температуре, в зависимости от материала, эти пустоты могут заполняться газами разложения сплава, что приводит к набуханию материала. [9] Это огромная проблема для чувствительных к давлению или ограниченных материалов, которые находятся под постоянной радиационной бомбардировкой, таких как реакторы с водой под давлением . Во многих случаях поток излучения нестехиометричен, что вызывает сегрегацию внутри сплава. Этот нестехиометрический поток может привести к значительным изменениям локального состава вблизи границ зерен [10] , где движение атомов и дислокаций затруднено. Когда этот поток продолжается, обогащение растворенных веществ в поглотителях может привести к осаждению новых фаз.
Радиационное упрочнение представляет собой упрочнение рассматриваемого материала путем внедрения кластеров дефектов, примесно-дефектных кластерных комплексов, дислокационных петель, дислокационных линий, пустот, пузырьков и выделений. Для сосудов под давлением потеря пластичности, возникающая в результате увеличения твердости, вызывает особую озабоченность.
Радиационное охрупчивание приводит к снижению энергии разрушения из-за уменьшения деформационного упрочнения (поскольку упрочнение уже происходит во время облучения). Это мотивировано причинами, очень похожими на те, которые вызывают радиационное затвердевание; образование скоплений дефектов, дислокаций, пустот и выделений. Вариации этих параметров затрудняют прогнозирование точной величины охрупчивания, [11], но обобщенные значения измерений показывают предсказуемую последовательность.
Термическая ползучесть облученных материалов незначительна по сравнению с радиационной ползучестью, которая может превышать 10 -6 сек -1 . [12] Механизм заключается не в повышении коэффициента диффузии, как можно было бы понять из повышенной температуры, а в взаимодействии между напряжением и развивающейся микроструктурой. Стресс вызывает зарождение петель и вызывает преимущественное поглощение междоузлий в местах дислокаций, что приводит к набуханию. [13] Набухание в сочетании с охрупчиванием и затвердеванием может иметь катастрофические последствия для любого ядерного материала, находящегося под значительным давлением.
Рост облученных материалов вызван разностью диффузионной анизотропии (DAD). Это явление часто встречается в цирконии, графите и магнии из-за природных свойств.
Тепловая и электропроводность зависят от переноса энергии через электроны и решетку материала. Дефекты решетки и замещение атомов путем трансмутации нарушают эти пути, что приводит к снижению обоих типов проводимости из-за радиационного повреждения. Величина снижения зависит от преобладающего типа проводимости (электронного или закона Видемана-Франца , фононного) в материале и особенностей радиационного повреждения и поэтому пока трудно прогнозируема.
Радиационное повреждение может повлиять на полимеры, которые находятся в ядерных реакторах, медицинских приборах, электронных упаковках и деталях аэрокосмической промышленности, а также на полимеры, которые подвергаются стерилизации или облучению для использования в пищевой и фармацевтической промышленности. [14] [15] Ионизирующее излучение также можно использовать для целенаправленного усиления и изменения свойств полимеров. [16] Исследования в этой области были сосредоточены на трех наиболее распространенных источниках излучения, используемых в этих целях, включая гамма-излучение, электронный луч и рентгеновское излучение. [17]
Механизмы радиационного повреждения полимеров и металлов различны, поскольку дислокации и границы зерен не имеют реального значения в полимере. Вместо этого полимеры деформируются за счет движения и перестановки цепей, которые взаимодействуют посредством сил Ван-дер-Ваальса и водородных связей. В присутствии высокой энергии, такой как ионизирующее излучение, ковалентные связи, соединяющие сами полимерные цепи, могут преодолеть силы притяжения и образовать пару свободных радикалов . Эти радикалы затем участвуют в ряде реакций полимеризации, подпадающих под классификацию радиационной химии . Сшивание описывает процесс, посредством которого углеродцентрированные радикалы в разных цепях объединяются, образуя сеть поперечных связей . Напротив, разрыв цепи происходит, когда углеродцентрированный радикал в основной цепи полимера реагирует с другим свободным радикалом, обычно кислородом в атмосфере, вызывая разрыв основной цепи. Свободные радикалы также могут вступать в реакции, которые прививают новые функциональные группы к основной цепи или ламинируют два полимерных листа без клея. [17]
Имеются противоречивые сведения об ожидаемых эффектах ионизирующего излучения для большинства полимеров, поскольку условия радиации очень влиятельны. Например, мощность дозы определяет, насколько быстро образуются свободные радикалы и способны ли они диффундировать через материал для рекомбинации или участвовать в химических реакциях. [18] На соотношение сшивки и разрыва цепи также влияют температура, окружающая среда, присутствие кислорода по сравнению с инертными газами, источник радиации (изменение глубины проникновения) и то, был ли полимер растворен в водном растворе. [15]
Сшивка и разрыв цепи оказывают различное влияние на механические свойства. Облученные полимеры обычно подвергаются обоим типам реакций одновременно, но не обязательно в одинаковой степени. [19] Сшивки укрепляют полимер, предотвращая скольжение цепи, что эффективно приводит к термореактивным свойствам. Сшивки и разветвления приводят к более высокой молекулярной массе и полидисперсности. [18] Таким образом, эти полимеры обычно имеют повышенную жесткость, прочность на разрыв и предел текучести, [20] и пониженную растворимость. [14] Хорошо известно, что полиэтилен обладает улучшенными механическими свойствами в результате сшивания, включая увеличение прочности на разрыв и уменьшение удлинения при разрыве. [16] Таким образом, он имеет «несколько полезных применений в таких разнообразных областях, как анкерные болты для горнодобывающей промышленности, армирование бетона, производство легких высокопрочных канатов и высокоэффективных тканей». [14]
Напротив, реакции разрыва цепи ослабляют материал за счет уменьшения средней молекулярной массы цепей, в результате чего снижается прочность на растяжение и изгиб, а растворимость увеличивается. [14] Разрыв цепи происходит преимущественно в аморфных областях полимера. Он может увеличить кристалличность в этих областях, облегчая повторную сборку коротких цепочек. Таким образом, было замечено, что кристалличность увеличивается с дозой, [18] что приводит к более хрупкому материалу на макроуровне. Кроме того, «газообразные продукты, такие как CO 2 , могут задерживаться в полимере, и это может привести к последующему растрескиванию и растрескиванию из-за накопленных локальных напряжений». [14] Примером этого явления являются 3D-печатные материалы, которые часто пористые из-за их конфигурации печати. [20] Кислород может диффундировать в поры и вступать в реакцию с оставшимися в живых свободными радикалами, что приводит к охрупчиванию . [20] Некоторые материалы продолжают ослабевать в результате старения, поскольку оставшиеся свободные радикалы реагируют [ 20]. 15]
Устойчивость этих полимеров к радиационному повреждению можно улучшить путем прививки или сополимеризации ароматических групп, которые повышают стабильность и снижают реакционную способность, а также путем добавления антиоксидантов и наноматериалов , которые действуют как поглотители свободных радикалов. [19] Кроме того, полимеры с более высокой молекулярной массой будут более устойчивы к радиации. [18]
Воздействие радиации вызывает химические изменения в газах. Наименее подвержены повреждению благородные газы , в которых основной проблемой является ядерная трансмутация с последующими химическими реакциями продуктов ядерной реакции.
Высокоинтенсивное ионизирующее излучение в воздухе может вызывать видимое ионизированное свечение характерного голубовато-пурпурного цвета. Свечение можно наблюдать, например, во время аварий, связанных с критичностью , вокруг грибовидных облаков вскоре после ядерного взрыва или внутри поврежденного ядерного реактора, как во время чернобыльской катастрофы .
Могут быть произведены значительные количества озона . Даже небольшое количество озона может со временем вызвать озоновое растрескивание многих полимеров, помимо повреждения самим излучением.
В некоторых газообразных ионизационных детекторах радиационное повреждение газов играет важную роль в старении устройства, особенно в устройствах, подвергающихся в течение длительного времени воздействию излучения высокой интенсивности, например, детекторы для Большого адронного коллайдера или трубки Гейгера-Мюллера.
Для процессов ионизации требуется энергия выше 10 эВ, а для расщепления ковалентных связей в молекулах и образования свободных радикалов требуется всего 3-4 эВ. Электрические разряды, инициированные событиями ионизации частиц, приводят к образованию плазмы, населенной большим количеством свободных радикалов. Высокореактивные свободные радикалы могут рекомбинироваться обратно в исходные молекулы или инициировать цепочку реакций свободнорадикальной полимеризации с другими молекулами, образуя соединения с увеличивающейся молекулярной массой . Эти высокомолекулярные соединения затем осаждаются из газовой фазы, образуя проводящие или непроводящие отложения на электродах и изолирующих поверхностях детектора и искажая его отклик. Газы, содержащие углеводородные тушители, например аргон - метан , обычно чувствительны к старению в результате полимеризации; добавление кислорода имеет тенденцию снижать скорость старения. Незначительные количества силиконовых масел , присутствующие в результате выделения газов из силиконовых эластомеров и особенно следов силиконовых смазок , имеют тенденцию разлагаться и образовывать отложения кристаллов кремния на поверхностях. Газообразные смеси аргона (или ксенона ) с углекислым газом и, при необходимости, также с 2-3% кислорода обладают высокой устойчивостью к высоким потокам радиации. Кислород добавляется, поскольку благородный газ с углекислым газом имеет слишком высокую прозрачность для фотонов высокой энергии ; Озон, образующийся из кислорода, является сильным поглотителем ультрафиолетовых фотонов. Тетрафторид углерода может быть использован в качестве компонента газа для высокоскоростных детекторов; Однако радикалы фтора, образующиеся во время операции, ограничивают выбор материалов для камер и электродов (например, необходимы золотые электроды, поскольку радикалы фтора разъедают металлы, образуя фториды ). Однако добавление тетрафторида углерода может устранить отложения кремния. Присутствие углеводородов с тетрафторидом углерода приводит к полимеризации. Смесь аргона, тетрафторида углерода и диоксида углерода демонстрирует малое старение при высоком потоке адронов . [21]
Как и газы, жидкости не имеют фиксированной внутренней структуры; Таким образом, воздействие радиации в основном ограничивается радиолизом , изменяющим химический состав жидкостей. Как и в случае с газами, одним из основных механизмов является образование свободных радикалов .
Все жидкости, за некоторыми экзотическими исключениями, подвержены радиационному повреждению; например, расплавленный натрий, в котором нет химических связей, подлежащих разрушению, и жидкий фтористый водород , который производит газообразный водород и фтор, которые самопроизвольно реагируют обратно с фтористым водородом.
Вода, подвергшаяся ионизирующему излучению, образует свободные радикалы водорода и гидроксила , которые могут рекомбинировать с образованием газообразного водорода , кислорода , перекиси водорода , гидроксильных радикалов и перекисных радикалов. В живых организмах, которые состоят в основном из воды, большая часть повреждений наносится активными формами кислорода , свободными радикалами, образующимися из воды. Свободные радикалы атакуют биомолекулы , образующие структуры внутри клеток , вызывая окислительный стресс (кумулятивный ущерб, который может быть достаточно значительным, чтобы вызвать гибель клеток, или может вызвать повреждение ДНК , что может привести к раку ).
В системах охлаждения ядерных реакторов образование свободного кислорода может способствовать коррозии , и этому противодействуют добавлением водорода в охлаждающую воду. [22] Водород не расходуется, так как на каждую молекулу, реагирующую с кислородом, при радиолизе воды выделяется одна молекула; избыток водорода просто служит для смещения равновесия реакции, образуя исходные водородные радикалы. Восстановительная среда в водо-водяных реакторах менее склонна к накоплению окислительных частиц. Химия кипящего теплоносителя реактора более сложна, поскольку окружающая среда может быть окислительной. Большая часть радиолитической активности происходит в активной зоне реактора, где поток нейтронов самый высокий; основная часть энергии выделяется в воде за счет быстрых нейтронов и гамма-излучения, вклад тепловых нейтронов значительно меньше. В безвоздушной воде концентрация водорода, кислорода и перекиси водорода достигает устойчивого состояния при радиации около 200 Гр. В присутствии растворенного кислорода реакции продолжаются до тех пор, пока кислород не израсходуется и равновесие не сместится. Нейтронная активация воды приводит к накоплению низких концентраций форм азота; из-за окислительного действия активных форм кислорода они обычно присутствуют в форме нитрат -анионов. В восстановительных средах может образовываться аммиак . Однако ионы аммиака могут впоследствии окисляться до нитратов. Другими веществами, присутствующими в охлаждающей воде, являются окисленные продукты коррозии (например, хроматы ) и продукты деления (например, пертехнетат- и периодат- анионы, уранил- и нептунил-катионы). [23] Поглощение нейтронов ядрами водорода приводит к накоплению дейтерия и трития в воде. Поведение сверхкритической воды , важное для сверхкритических водных реакторов , отличается от радиохимического поведения жидкой воды и пара и в настоящее время исследуется. [24]
Величина воздействия радиации на воду зависит от вида и энергии излучения, а именно от его линейной передачи энергии . Безгазовая вода, подвергнутая воздействию гамма-лучей с низкой ЛПЭ, практически не образует продуктов радиолиза и поддерживает равновесие при их низкой концентрации. Альфа-излучение с высокой ЛПЭ производит большее количество продуктов радиолиза. В присутствии растворенного кислорода всегда происходит радиолиз. Растворенный водород полностью подавляет радиолиз излучением с низкой ЛПЭ, в то время как радиолиз все еще происходит при
Присутствие активных форм кислорода оказывает сильное разрушительное воздействие на растворенные органические химические вещества. Это используется при восстановлении подземных вод путем обработки электронным лучом . [25]
Двумя основными подходами к уменьшению радиационного повреждения являются уменьшение количества энергии, выделяемой в чувствительный материал (например, путем экранирования, расстояния от источника или пространственной ориентации), или модификация материала, чтобы он был менее чувствительным к радиационному повреждению (например, путем добавления антиоксидантов). , стабилизаторы или выбор более подходящего материала). В дополнение к упомянутому выше усилению защиты электронных устройств, некоторая степень защиты может быть получена путем экранирования, обычно с использованием материалов высокой плотности (особенно свинца, где пространство критично, или бетона, где пространство доступно) между источником излучения и зонами. быть защищенным. Что касается биологических эффектов таких веществ, как радиоактивный йод, прием нерадиоактивных изотопов может существенно снизить биологическое поглощение радиоактивной формы, а хелатная терапия может применяться для ускорения удаления радиоактивных материалов, образующихся из тяжелых металлов, из организма естественными процессами. .
Надежные меры противодействия радиационному поражению состоят из трех подходов. Во-первых, насыщение матрицы слишком крупными растворенными веществами. Это позволяет задержать набухание, возникающее в результате ползучести и движения дислокаций. Они также помогают предотвратить диффузию, которая ограничивает способность материала подвергаться радиационно-индуцированной сегрегации. [26] Во-вторых, диспергирование оксида внутри матрицы материала. Дисперсный оксид помогает предотвратить ползучесть, а также уменьшить набухание и уменьшить радиационно-индуцированную сегрегацию, предотвращая движение дислокаций, а также образование и движение междоузлий. [27] Наконец, если сделать границы зерен как можно меньшими, движение дислокаций может быть затруднено, что предотвращает охрупчивание и затвердевание, которые приводят к разрушению материала. [28]
Ионизирующее излучение, как правило, вредно и потенциально смертельно для живых существ, но может принести пользу здоровью при лучевой терапии для лечения рака и тиреотоксикоза . Его наиболее частым воздействием является индукция рака с латентным периодом в годы или десятилетия после воздействия. Высокие дозы могут вызвать визуальные драматические радиационные ожоги и/или быструю смерть в результате острого лучевого синдрома . Контролируемые дозы используются для медицинской визуализации и лучевой терапии .
Большинство неблагоприятных последствий радиационного воздействия для здоровья можно сгруппировать в две общие категории: