Радиационное материаловедение - Radiation material science

Радиационное материаловедение описывает взаимодействие излучения с иметь значение: широкая тема, охватывающая многие формы облучение и материи.

Основная цель радиационного материаловедения

Некоторые из самых глубоких эффектов облучение на материалах происходят в основе ядерные энергетические реакторы где атомы, составляющие структурные компоненты, многократно смещаются в течение своей инженерной жизни. Последствия излучения для основных компонентов включают изменения в форма и объем на десятки процентов увеличивается твердость в пять и более раз, резкое снижение пластичность и увеличился охрупчивание и склонность к растрескиванию, вызванному окружающей средой. Для того, 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-устойчивые материалы, которые могут лучше служить своей цели.

Радиация

Типы излучения, которые могут изменить конструкционные материалы, включают: нейтроны, ионы, электроны и гамма излучение. 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 связь с другими областями и дисциплинами, такими как использование ускорители для трансмутация из ядерные отходы, или в создании новых материалов ионная имплантация, ионно-пучковое смешение, плазменная ионная имплантация и ионно-лучевое осаждение.

Эффект облучения материалов основан на начальном событии, когда энергетический снаряд поражает цель. Хотя событие состоит из нескольких шагов или процессов, основным результатом является смещение атома от его узла решетки. Облучение вытесняет атом со своего места, оставляя за ним свободное место ( вакансия ), и смещенный атом в конечном итоге останавливается в месте, которое находится между узлами решетки, становясь межстраничный атом. 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 при применении стресс, механические эффекты облучения за счет возникновения интерстициальных явлений, таких как припухлость, рост, фаза перехода, сегрегация и т. д., будут выполнены. В дополнение к атомному смещению энергичная заряженная частица, движущаяся в решетке, также передает энергию электронам в системе через электронная тормозная способность. Эта передача энергии может также для частиц высокой энергии вызывать повреждение неметаллических материалов, так называемое ионные треки.^[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 создается классическим молекулярная динамика моделирование 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 указано на шкале справа. В конце концов, оба точечные дефекты и вывих петли остаются.

Радиационный ущерб

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:

Взаимодействие энергичной налетающей частицы с атомом решетки
Передача кинетическая энергия к атому решетки, порождающему первичный ударный атом
Смещение атома из узла его решетки
Прохождение смещенного атома через решетку и сопутствующее создание дополнительных выбиваемых атомов
Производство каскад смещения (совокупность точечных дефектов, созданных первичным ударным атомом)
Прекращение действия первичного нокаутного атома как межузельного

Результатом события радиационного повреждения является то, что энергия, передаваемая атому решетки, превышает пороговая энергия смещения, создание коллекции точечные дефекты (вакансии и междоузлии) и кластеры 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}.}

куда ${ displaystyle N}$ - плотность атомов, ${ displaystyle E_ {max}}$ и ${ displaystyle E_ {min}}$ - максимальная и минимальная энергии падающей частицы, ${ displaystyle phi (E_ {i})}$ - зависящий от энергии поток частиц, ${ displaystyle T_ {max}}$ и ${ displaystyle T_ {min}}$ - максимальная и минимальная энергии, передаваемые при столкновении частицы энергии ${ displaystyle E_ {i}}$ и атом решетки, ${ displaystyle sigma (E_ {i}, T)}$ это поперечное сечение для столкновения частицы энергии ${ displaystyle E_ {i}}$ что приводит к передаче энергии ${ displaystyle T}$ пораженному атому, ${ displaystyle upsilon (T)}$ - число смещений на первичный выбитый атом.

Две ключевые переменные в этом уравнении: ${ displaystyle sigma (E_ {i}, T)}$ и ${ displaystyle upsilon (T)}$ . Период, термин ${ displaystyle sigma (E_ {i}, T)}$ описывает передачу энергии от падающей частицы к первому атому, с которым она сталкивается в мишени, первичному атому удаляемого удара; Вторая величина ${ displaystyle upsilon (T)}$ - общее количество смещений, которые первичный выбивающий атом совершает в твердом теле; Взятые вместе, они описывают общее количество смещений, вызванных падающей частицей энергии ${ displaystyle E_ {i}}$ , и вышеприведенное уравнение учитывает распределение энергии налетающих частиц. Результатом является общее количество смещений в мишени от потока частиц с известным распределением энергии.

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

Радиационно стойкие материалы

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. Особенно, Ядерные реакторы IV поколения работают при более высоких температурах и давлениях по сравнению с современными реакторы с водой под давлением, на долю которых приходится огромное количество западных реакторов. Это приводит к повышенной уязвимости к нормальным механическим сбоям с точки зрения сопротивление ползучести а также радиационно-разрушающие события, такие как набухание, вызванное нейтронами 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 путем инженерного сопротивления этим событиям смещения.

Инженерия границ зерен

Гранецентрированный кубический 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 лечения, в частности, дает лучшую устойчивость к коррозионное растрескивание под напряжением и окисление.^[3]

Подбор материалов

Используя передовые методы выбор материала о материалах можно судить 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]

Элемент	Сечение тепловых нейтронов (амбары)
Магний	0.059
Свинец	0.17
Цирконий	0.18
Алюминий	0.23
Утюг	2.56
Аустенитная нержавеющая сталь	3.1
Никель	4.5
Титана	6.1
Кадмий	2520

Самоорганизация ближнего порядка (СРО)

Для никель-хромовых и железо-хромовых сплавов ближний порядок может быть разработан на 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 внедрения 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

Основы радиационного материаловедения, Гэри С. Вас, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2007
Р. С. Авербек и Т. Диас де ла Рубиа (1998). «Повреждение смещения в облученных металлах и полупроводниках». В Х. Эренфесте и Ф. Спапене. 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.

внешняя ссылка

СМИ, связанные с Радиационное материаловедение в Wikimedia Commons

[Mef94-1] А. Мефтах; и другие. (1994). «Образование трека в SiO₂ кварц и термоспайковый механизм ». Физический обзор B. 49 (18): 12457–12463. Bibcode:1994ПхРвБ..4912457М. Дои:10.1103 / PhysRevB.49.12457. PMID 10010146.

[Tra00-2] К. Траутманн; С. Клаумюнцер; Х. Тринкаус (2000). «Влияние напряжения на образование следов в аморфном железо-борном сплаве: следы ионов как упругие включения» (PDF). Письма с физическими проверками. 85 (17): 3648–51. Bibcode:2000ПхРвЛ..85.3648Т. Дои:10.1103 / PhysRevLett.85.3648. PMID 11030972.

[3] Tan, L .; Allen, T. R .; Басби, Дж. Т. (01.10.2013). «Инженерия границ зерен конструкционных материалов ядерных реакторов» (PDF). Журнал ядерных материалов. 441 (1–3): 661–666. Bibcode:2013JNuM..441..661T. Дои:10.1016 / j.jnucmat.2013.03.050.

[4] Эшби, М.Ф. и Майкл Смидман. «Материалы для атомных энергетических систем». Granta Design: материалы экспертов по информационным технологиям. Granta Design, январь 2010 г. Интернет. 1 ноября 2015 г. .

[5] «Циркониевые сплавы реакторного качества для захоронения 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 для создания радиационно стойких конструкционных материалов для ядерных реакторов». Российская металлургия (Металлы). 2010 (3): 197–206. Bibcode:2010RuMet2010..197K. Дои:10.1134 / S0036029510030092. ISSN 0036-0295.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]