Materiałoznawstwo radiacyjne

Materiałoznawstwo związane z promieniowaniem jest poddziedziną materiałoznawstwa , która bada interakcje promieniowania z materią : szeroki temat obejmujący wiele form napromieniowania i materii.

Główny cel materiałoznawstwa radiacyjnego

Niektóre z najgłębszych skutków napromieniowania materiałów występują w rdzeniu reaktorów jądrowych , gdzie atomy składające się na elementy konstrukcyjne są wielokrotnie przemieszczane w ciągu ich inżynieryjnego okresu eksploatacji. Konsekwencje promieniowania dla komponentów rdzenia obejmują zmiany kształtu i objętości o dziesiątki procent, wzrost twardości pięciokrotnie lub więcej, poważne zmniejszenie ciągliwości i zwiększoną kruchość oraz podatność na pękanie wywołane środowiskiem. Aby struktury te spełniały swoje zadanie, wymagane jest dokładne zrozumienie wpływu promieniowania na materiały, aby uwzględnić skutki napromieniowania w projektowaniu, złagodzić jego wpływ poprzez zmianę warunków pracy lub służyć jako przewodnik przy tworzeniu nowych, bardziej materiałów odpornych na promieniowanie, które lepiej spełnią swoje zadanie.

Promieniowanie

Rodzaje promieniowania, które mogą zmieniać materiały konstrukcyjne, to promieniowanie neutronowe , wiązki jonów , elektrony ( cząstki beta ) i promienie gamma . Wszystkie te formy promieniowania mają zdolność przemieszczania atomów z ich miejsc w sieci, co jest podstawowym procesem napędzającym zmiany w metalach konstrukcyjnych. Włączenie jonów do napromieniających cząstek zapewnia powiązanie z innymi dziedzinami i dyscyplinami, takimi jak wykorzystanie akceleratorów do transmutacji odpadów radioaktywnych lub w tworzeniu nowych materiałów poprzez implantację jonów , mieszanie wiązki jonów , implantację jonów wspomaganą plazmą i osadzanie wspomagane wiązką jonów .

Wpływ napromieniowania na materiały jest zakorzeniony w początkowym zdarzeniu, w którym energetyczny pocisk uderza w cel. Chociaż zdarzenie składa się z kilku etapów lub procesów, głównym rezultatem jest przemieszczenie atomu z jego miejsca w sieci. Napromieniowanie wypiera atom z jego miejsca, pozostawiając puste miejsce ( wolne miejsce ), a przemieszczony atom ostatecznie zatrzymuje się w miejscu znajdującym się między miejscami sieci, stając się atomem śródmiąższowym . Para wakacyjna-śródmiąższowa ma kluczowe znaczenie dla efektów promieniowania w krystalicznych ciałach stałych i jest znana jako para Frenkla . Obecność pary Frenkla i inne konsekwencje uszkodzenia napromieniowania determinują skutki fizyczne, a przy zastosowaniu naprężeń mechaniczne skutki napromieniowania poprzez występowanie zjawisk śródmiąższowych, takich jak pęcznienie , wzrost , przemiana fazowa , segregacja itp. , zostanie dokonane. Oprócz przesunięcia atomowego, energetycznie naładowana cząstka poruszająca się w sieci daje również energię elektronom w układzie poprzez elektroniczną siłę hamowania . Ten transfer energii może również w przypadku cząstek o wysokiej energii powodować uszkodzenia w materiałach niemetalicznych, takie jak tory jonowe i tory rozszczepienia w minerałach.

Sekwencja obrazów przedstawiająca rozwój w czasie kaskady kolizji w reżimie skoków ciepła wytwarzanych przez jon Xe o energii 30 keV uderzający w Au w warunkach kanałowania. Obraz jest tworzony przez klasyczną dynamiki molekularnej kaskady kolizji. Obraz przedstawia przekrój poprzeczny dwóch warstw atomowych w środku trójwymiarowej komórki symulacyjnej. Każda kula ilustruje położenie atomu, a kolory przedstawiają energię kinetyczną każdego atomu, zgodnie ze skalą po prawej stronie. Na końcu pozostają zarówno defekty punktowe , jak i pętle dyslokacji .

Uszkodzenia spowodowane promieniowaniem

Zdarzenie uszkodzenia radiacyjnego definiuje się jako przeniesienie energii z padającego pocisku na ciało stałe i wynikający z tego rozkład atomów celu po zakończeniu zdarzenia. Zdarzenie to składa się z kilku odrębnych procesów:

Oddziaływanie padającej cząstki energetycznej z atomem sieci
Przeniesienie energii kinetycznej do atomu sieci, dające początek pierwotnemu atomowi dobijającemu
Przemieszczenie atomu z jego miejsca w sieci
Przejście przemieszczonego atomu przez sieć i towarzyszące temu tworzenie dodatkowych atomów dobijanych
Wytwarzanie kaskady przemieszczeń (zbiór defektów punktowych utworzonych przez pierwotny atom dobijający)
Zakończenie pierwotnego atomu knock-on jako śródmiąższowe

Skutkiem zdarzenia uszkodzenia radiacyjnego jest, jeśli energia przekazana atomowi sieci jest powyżej progowej energii przesunięcia , utworzenie zbioru defektów punktowych (pustek i śródmiąższowych) oraz skupisk tych defektów w sieci krystalicznej.

Istotą ilościowego określenia uszkodzeń radiacyjnych w ciałach stałych jest liczba przemieszczeń na jednostkę objętości na jednostkę czasu: ${\ displaystyle R}$ :

{\ Displaystyle R = N \ int _ {E_ {min}} ^ {E_ {max}} \ int _ {T_ {min}} ^ {T_ {max}} \ fi (E_ {i}) \, \ sigma (E_{i},T)\,\upsilon (T)\,dT\,dE_{i}.}

gdzie jest gęstością liczby atomów, $i$ ${\ Displaystyle E_ {max}}$ mi $Displaystyle E_ {min}}$ to maksymalna i minimalna energia nadlatującej cząstki, ${\ Displaystyle \ phi (E_ {i})}$ jest zależnym od energii strumieniem cząstek, ${\ Displaystyle T_ {max}}$ i ${\ Displaystyle T_ {min}}$ $(E_ {i}, T)}$ zderzeniu cząstki energii $E_ {$ , ${\ Displaystyle$ jest przekrojem poprzecznym dla zderzenia cząstki energii , które powoduje przeniesienie energii do uderzonego atomu, ${\ displaystyle E_ {$ $}$ ${\ displaystyle \ upsilon (T)}$ to liczba przemieszczeń przypadająca na główny atom odrzutowy.

Dwie kluczowe zmienne w tym równaniu to $}$ $\ sigma (E_ {i},$ \ Displaystyle Termin opisuje przeniesienie energii z nadchodzącej cząstki do pierwszego atomu, jaki napotka w celu, głównego atomu dobijającego; ${\ Displaystyle \ sigma (E_ {i}, T)}$ Druga wielkość ${\ displaystyle \ upsilon (T)}$ to całkowita liczba przemieszczeń, jakie główny atom odrzutowy wykonuje w ciele stałym; Wzięte razem opisują całkowitą liczbę przemieszczeń spowodowanych przez nadlatującą cząstkę energii $,$ rozkład energii nadlatujących cząstek. Wynikiem jest całkowita liczba przemieszczeń w tarczy od strumienia cząstek o znanym rozkładzie energii.

W materiałoznawstwie promieniowaniem uszkodzenie spowodowane przemieszczeniem w stopie ( $)$ przemieszczenia atom w ciele stałym odzwierciedleniem wpływu napromieniowania na właściwości materiałów niż ( fluencja neutronów, ${\ Displaystyle \ lewo [MeV \ prawo]}$ ).

Zobacz także efekt Wignera .

Materiały odporne na promieniowanie

Aby wytwarzać materiały, które spełniają rosnące wymagania reaktorów jądrowych w zakresie działania z wyższą wydajnością lub dłuższą żywotnością, materiały muszą być projektowane z myślą o odporności na promieniowanie. W szczególności reaktory jądrowe IV generacji działają w wyższych temperaturach i ciśnieniach w porównaniu z nowoczesnymi reaktorami wodnymi ciśnieniowymi , które stanowią ogromną liczbę zachodnich reaktorów. Prowadzi to do zwiększonej podatności na normalne uszkodzenia mechaniczne pod względem odporności na pełzanie , a także zdarzeń niszczących promieniowanie, takich jak pęcznienie wywołane neutronami i wywołane promieniowaniem segregacja faz . Uwzględniając uszkodzenia spowodowane promieniowaniem, materiały reaktora byłyby w stanie wytrzymać dłuższy okres eksploatacji. Pozwala to na wycofanie reaktorów z eksploatacji po dłuższym czasie, co poprawia zwrot z inwestycji w reaktory bez uszczerbku dla bezpieczeństwa. Jest to szczególnie interesujące w rozwijaniu komercyjnej opłacalności zaawansowanych i teoretycznych reaktorów jądrowych, a cel ten można osiągnąć poprzez inżynieryjną odporność na te zdarzenia przemieszczenia.

Inżynieria granic ziarna

sześcienne centrowane na powierzchni, takie jak stale austenityczne i stopy na bazie niklu, mogą znacznie skorzystać na inżynierii granic ziaren. Inżynieria granic ziaren próbuje generować większe ilości specjalnych granic ziaren, charakteryzujących się korzystnymi orientacjami między ziarnami. Zwiększając populacje granic o niskiej energii bez zwiększania wielkości ziarna, można zmienić mechanikę pękania tych sześciennych metali skupionych na powierzchni, aby poprawić właściwości mechaniczne przy podobnych wartościach przemieszczeń na atom w porównaniu ze stopami inżynieryjnymi bez granic ziaren. Ten sposób traktowania w szczególności daje lepszą odporność na pękanie w wyniku korozji naprężeniowej i utlenianie.

Wybór materiałów

Korzystając z zaawansowanych metod selekcji materiałów , materiały można oceniać na podstawie kryteriów, takich jak pole przekroju poprzecznego absorpcji neutronów. Wybór materiałów o minimalnej absorpcji neutronów może znacznie zminimalizować liczbę przemieszczeń na atom, które występują w całym okresie eksploatacji materiału reaktora. Spowalnia to kruchości radiacyjnej , przede wszystkim zapobiegając ruchomości atomów, proaktywnie wybierając materiały, które nie wchodzą w interakcje z promieniowaniem jądrowym tak często. Może to mieć ogromny wpływ na całkowite uszkodzenie, zwłaszcza przy porównaniu materiałów nowoczesnych zaawansowanych reaktorów z cyrkonu do rdzeni reaktorów ze stali nierdzewnej, które mogą różnić się przekrojem poprzecznym absorpcji o rząd wielkości od bardziej optymalnych materiałów.

Przykładowe wartości przekroju poprzecznego neutronów termicznych przedstawiono w poniższej tabeli.

Element	Przekrój poprzeczny neutronów termicznych (stodoły)
Magnez	0,059
Ołów	0,17
Cyrkon	0,18
Aluminium	0,23
Żelazo	2.56
Austenityczna stal nierdzewna	3.1
Nikiel	4.5
Tytan	6.1
Kadm	2520

Samoorganizacja zamówień krótkiego zasięgu (SRO).

W przypadku stopów niklowo-chromowych i żelazowo-chromowych można zaprojektować porządek krótkiego zasięgu w nanoskali (<5 nm), który pochłania śródmiąższowe i wolne miejsca generowane przez pierwotne zdarzenia uderzania atomów. Pozwala to na zastosowanie materiałów, które łagodzą pęcznienie, które zwykle występuje w obecności dużych przemieszczeń na atom i utrzymują całkowitą zmianę procentową objętości poniżej zakresu dziesięciu procent. Dzieje się tak poprzez generowanie metastabilnej fazy, która jest w stałej, dynamicznej równowadze z otaczającym materiałem. Ta metastabilna faza charakteryzuje się entalpią mieszania, która jest faktycznie zerowa w stosunku do sieci głównej. Pozwala to przemianie fazowej na pochłanianie i rozpraszanie defektów punktowych, które zwykle gromadzą się w sztywniejszych sieciach. Wydłuża to żywotność stopu, zmniejszając skuteczność tworzenia wakatów i śródmiąższowych, ponieważ ciągłe wzbudzanie neutronów w postaci kaskad przemieszczeń przekształca fazę SRO, podczas gdy SRO reformuje się w masowym roztworze stałym.

Zasoby

Fundamentals of Radiation Material Science: Metals and Alloys, wyd. 2, Gary S. Was, SpringerNature, Nowy Jork 2017
RS Averback i T. Diaz de la Rubia (1998). „Uszkodzenia spowodowane przemieszczeniem w napromieniowanych metalach i półprzewodnikach”. W H. Ehrenfest i F. Spaepen. Fizyka ciała stałego 51. Prasa akademicka. s. 281–402.
R. Smith, wyd. (1997). Zderzenia atomów i jonów w ciałach stałych i na powierzchni: teoria, symulacja i zastosowania. Wydawnictwo Uniwersytetu Cambridge. ISBN 0-521-44022-X .

Linki zewnętrzne

Media związane z materiałoznawstwem radiacyjnym w Wikimedia Commons