Материалы ядерных энергетических установок - Фундаментальные радиационные явления в материалах

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ РАДИАЦИОННЫЕ ЯВЛЕНИЯ
В МАТЕРИАЛАХ

ВВЕДЕНИЕ

Уникальной характеристикой рабочей среды ядерного реактора является интенсивный поток излучения при высокой температуре в активной зоне, который может менять ядерные, физические, тепловые, химические и механические свойства материалов, в особенности тех ядерных материалов, которые работают в активной зоне продолжительное время. Эти изменения со временем могут стать значительными, что следует учитывать при конструировании реакторов и соответствующего оборудования.
Ядерное излучение реактора состоит из потоков а-, бета- и гамма-лучей, нейтронов, осколков деления и, возможно, протонов. Влияние ядерного излучения на кристаллические твердые тела зависит от кристаллической структуры и природы излучения. В металлах ионизации и возбуждение электронов бета- и гамма-лучами оказывают малое влияние на их свойства. Напротив, тяжелые частицы — нейтроны, протоны, а-частицы и осколки деления — могут существенно изменять свойства металлов. Кристаллографические исследования показывают, что тяжелые частицы могут вызвать нарушения или дефекты регулярного расположения атомов в кристаллических твердых металлических и неметаллических телах.

КЛАССИФИКАЦИЯ ДЕФЕКТОВ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ

Строение твердых тел изучают, используя дифракцию рентгеновского излучения на кристалле и последующую расшифровку кристаллической структуры. Совершенный кристалл состоит из периодически повторяющихся упорядоченных рядов атомов, чье строение удовлетворяет определенным условиям теории пространственных групп или структурной кристаллографии. При механической обработке (холодная деформация или деформационное упрочение) или при облучении тяжелыми частицами для описания возникающих отклонений от упорядоченного расположения атомов пользуются понятиями несовершенств или дефектов [1,2]. Если отклонение от упорядоченного расположения локализовано в окрестности лишь малого числа атомов, то его называют точечным дефектом. Если же отклонение распространено на некоторую область в кристалле, его называют дефектом решетки, поскольку оно создает разрыв непрерывности в решетке. В кристаллах существуют два типа дефектов решетки: линейные дефекты, распространенные вдоль линий в кристаллах, и плоские дефекты, занимающие часть некоторой плоскости в решетке.
Точечные дефекты. В твердых растворах металлов существуют типичные точечные дефекты: междоузельные атомы, которые являются избыточными атомами в твердых растворах; дефекты Шоттки (отсутствие атомов в регулярных положениях); дефекты Френкеля (пары Френкеля), образованные из междоузельного атома и вакансии, которую этот атом покинул [3, 4]. На рис. 4.1 показаны точечные дефекты в кристалле.

Рис. 4.1. Междоузельный атом (в); дефект Шотгки (6) и дефект Френкеля (в): 1 — избыточный атом; 2 —  отсутствие атома

1. Линейные дефекты. Дислокация возникает, когда в некоторой плоскости нарушается правильная периодичность расположения атомных рядов в решетке кристалла. Существуют два рода линейных дефектов, относящихся к дислокациям: краевая или тейлоровская дислокация, в которой дислокационная линия проявляется как край плоскости, составленной из атомов и вставленной в кристалл; винтовая дислокация, в которой ряд атомов на практически обычной кристаллографической плоскости образуют спираль, навитую около некоторого кристаллографического направления. Любую дислокацию всегда можно охарактеризовать вектором Бюргерса. Строение винтовой дислокации лучше всего видно при трехмерном изображении кристалла.

4.23. Плоские дефекты. Бели линейные дефекты скапливаются в некоторой плоскости, они могут образовать плоский дефект. Существуют три типа плоских дефектов: субграничный дефект - граница разориентировки между двумя соседними идеальными областями одного и того же кристалла; зернограничный дефект — граница зерен между двумя кристаллами в поликристаллическом теле; дефект упаковки — граница между двумя частями кристалла с плотной упаковкой, на которой меняется порядок укладки плоскостей. Большинство материалов (в том числе и материалы ядерных реакторов) состоит из множества случайным образом ориентированных мелких сцепленных друг с другом кристаллов или зерен. Границы между соседними зернами, следовательно, должны соответствовать структуре и ориентации всех зерен, составляющих общую границу. Однако структура самих границ зерен может быть искажена.

Рис. 4.2. Винтовая дислокация в кристалле: 1 —  контур Бюргерса; 2 —  винтовая дислокация; 3 —  вектор Бюргерса

1. Дислокации, плоскость скольжения, переползание. Дефекты типа линейных или винтовых дислокаций были первоначально введены для объяснения процесса пластической деформации, роста кристалла, электросопротивления и физических свойств металлических твердых тел [5, 6]. Каждой дислокации можно приписать некоторый замкнутый контур, контур Бюргерса, окружающий дислокационную линию. Этот замкнутый контур образуется при обходе вокруг дислокации по решетке идеального материала, как это показано на рис. 4.2. Искаженная плоскость, которая содержит дислокационную линию, называется плоскостью скольжения. Край дислокации имеет возможность передвигаться в ее плоскости скольжения за счет того, что расположение атомов только на краю дислокации отличается от расположения двух параллельных рядов атомов в кристалле. Винтовая же дислокация может двигаться в любой параллельной ей плоскости, поскольку движение винтовой дислокации осуществляется при этом по последовательности параллельных рядов атомов. Если краевая дислокация двигается не в плоскости скольжения, то такой процесс называют переползанием. Такое движение обычно сопровождается образованием или поглощением междоузельных атомов или вакансий (точечных дефектов).

Таблица 4.1. Дефекты в кристаллах

1. Сводка дефектов кристаллического строения. Дефекты (табл. 4.1) могут быть образованы в кристаллах или материалах ядерных реакторов за счет механических, тепловых или радиационных явлений. В частности, облучение нейтронами в рабочей среде ядерного реактора (исследовательского или энергетического) может привести к образованию радиационных дефектов или повреждению материалов ядерных реакторов [7,8].

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЯДЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ

Взаимодействие ядерного излучения высокой энергии с веществом есть сложный процесс, который можно разделить на первичную и вторичную стадии. В табл. 4.2 приведены первичные и вторичные эффекты в веществе, вызываемые основными частицами: электронами (бета-излучение), фотонами (гамма-излучение), а-частицами (а-излучение), протонами и нейтронами. Ядерные превращения, например, за счет реакции 9Ве(р, а)6Li, 27Al(р, 7)28Si, 6Li(и, а)4Т, 27Al(л, у)28Al, 9Ве(а, л)12С, 23 Na (n, y) 2 4 Na могут приводить к дополнительному изменению свойств материалов ядерных реакторов. Кроме того, осколки деления могут вызвать в топливных материалах довольно серьезные радиационные повреждения.
Таблица 4.2. Взаимодействие элем ен тайных частиц излучении с веществом

Среди основных частиц ел еду дет выделить нейтроны, особенно быстрые, которые обладают высокой проникающей способностью, имеют относительно большую массу и играют наиболее важную роль в физике ядерных реакторов деления и, по всей видимости, будут играть в термоядерных реакторах с дейтерий-тритиевой плазмой.