Радиационная стойкость металлов это

Лекция 12. Радиационностойкие материалы. Радиационная стойкость. Виды излучений и вызываемые ими повреждения. Эффекты радиационного воздействия. Влияние облучения на структуру, физико-механические свойства и коррозионную стойкость материалов.

Развитие атомной энергетики и реакторного материаловедения обусловило разработку нового класса материалов, устойчивых к действию разного рода излучений. В промышленных масштабах применяются с 40-х г.г. ХХ века.

Наибольшей стабильностью структуры свойств обладают металлы. Самое сильное влияние на материалы оказывает нейтронное облучение. Облучение α-частицами, протонами, β-частицами и γ-лучами менее существенно.

Материалы, эксплуатирующиеся в условиях облучения, должны быть радиационно-стойкими.

Радиационной стойкостью называется свойство материалов противостоять воздей-ствию интенсивных потоков радиоактивного излучения, изменяющих их структуру и свой-ства. В наибольшей степени это воздействие отражается на механических свойствах и коррозионной стойкости.

Радиационную стойкость конструкционных материалов в основном повышают легированием и регулированием микроструктуры (ее измельчением).

Повышенной радиационной стойкостью обладают некоторые марки конструкционных нержавеющих сталей аустенитного и ферритного классов, дисперсноупрочненные сплавы, изготовленные по специальной технологии, некоторые сплавы хрома, ванадия, ниобия, циркония, титана и их гидриды.

Из боросодержащих регулирующих материалов наибольшую радиационную стойкость имеют бориды тугоплавких металлов, особенно диборид титана TiB2, сплавы и соединения гафния, гадолиния, европия и самария. Чистый бор и карбид бора харак-теризуются склонностью к радиационному разбуханию.

• Виды излучений и вызываемые ими повреждения. Все виды излучения условно можно разделить на две основные группы:
• — рентгеновские лучи, позитроны, β-частицы и γ-лучи;
• — α-частицы, нейтроны, протоны и ускоренные ионы.

Взаимодействие легких частиц с веществом происходит в виде ионизации.

Повреж-дение вещества в основном имеет химический характер, оно подобно эффекту электрического заряда и может быть очень существенным для органических материалов и незначительным для металлических.

При их попадании в атом твердого вещества он не только ионизируется, но выбивается из узла кристаллической решетки, при этом образуется вакансия и межузель-ный атом (рисунок 12.1).

Более тяжелые заряженные частицы также теряют значительную часть своей энергии в результате ионизации, но они могут также испытывать упругие столкновения с ядрами вещества (α-частицы, нейтроны и ускоренные ионы теряют свою энергию исключительно за счет упругих столкновений).

Кроме того, тяжелые частицы передают атомам решетки значительную энергию, вызывая каскады атомных столкновений и смещений с образованием двойных, тройных и более крупных скоплений вакансий и межузельных атомов (кластеров), областей разупорядочения, дислокационных петель и т.п.

Рисунок 12.1 – Схема образования вакансий и межузельных атомов при нейтронном излучении

Быстрые частицы, проходя через металлические материалы, отдают значительную часть своей энергии в небольшой области решетки, вызывая плавление в микроскопических объемах.

Отвердевание этих объемов происходит чрезвычайно быстро, что приводит к образованию сильно напряженных участков.

Они оказывают такое же действие на свойства металла, как и обычная закалка, а именно: увеличиваются твердость и прочность, снижается пластичность, падает плотность.

Эффекты радиационного воздействия.Различают мгновенные и остаточные эффекты воздействия излучения на материалы.

Мгновенные — наблюдаются только в процессе облучения, остаточные – накапливаются во время облучения и сохраняются после него. Остаточные повреждения атомной и электронной структуры материала называются радиационными дефектами.

Проникающая способность нейтральных частиц (нейтронов и γ-квантов) высока, вследствие чего они вызывают объемное повреждение материала.

Длина пробега заряженных частиц (электронов, позитронов, протонов) мала, поэтому они повреждают лишь поверхностный слой. Число вакансий, создаваемых одной частицей, зависит от ее вида и энергии, а также от свойств облучаемого вещества (таблица 12.1).

Одна частица нейтрона, обладающая меньшей энергией, чем α-частица и протон, создает несравнимо больше структурных повреждений. Число вакансий, образовавшихся в алюминии, больше, чем в бериллии, что определяется большей энергией межатомной связи в последнем.

Степень изменения свойств и число дефектов в металле при облучении зависит от суммарного потока частиц, температуры облучения и температуры рекристаллизации металла.

К важнейшим радиационным эффектам относится газовое и вакансионное разбухание ядерных, конструкционных и функциональных материалов, сопровождающееся сущест-венным изменением размеров, короблением, растрескиванием и разрушением изделий.

Газовое разбухание происходит в результате возникновения в материале при радиационно-химических превращениях элементов газообразных продуктов и объединения их в пузырьки.

Вакансионное разбухание наблюдается при больших интегральных потоках нейтронов и связано с интенсивным ростом пор вследствие объединения вакансий и образованием дислокационных петель и скоплений.

Таблица 12.1 -Число вакансий в металле, созданных одной частицей.

Металл	Нейтрон (Е=3,2×10 –12 Дж)	α –частица (Е=1,6×10 –12 Дж)	Протон (Е=1,6×10 –12 Дж)
Алюминий Бериллий

Радиационному разбуханию подвергаются аустенитные хромоникелевые стали, сплавы на основе Ni, Mo, Ti, Zn, Be. Бериллий, облученный при температуре 800–900 °С нейтронным потоком φ = 1024 м–2, увеличивает объем на 3,5 %.

Аустенитная сталь облученная при температуре 450 °С потоком φ = 1027 м–2, увеличивает объем на 10 % (рисунок 12.2). Наибольшее разбухание таких сталей обнаруживается при рабочих температурах 350–650 °С.

Оно усиливается скоплением в образовавшихся при облучении микропорах молекулярного водорода либо водородосодержащих газов с большим внутренним давлением. Дополнительное легирование хромоникелевых сталей Ti, Mo, Nb уменьшает разбухание.

Возможно, это связано с уменьшением растворимости и скорости диффузии водорода в сложнолегированном аустените. Холодная пластическая деформация аустенитных сталей снижает разбухание, видимо, по той же причине. Перлитные и ферритные высокохромистые стали, растворимость водорода в которых мала, менее склонны к разбуханию.

1. При радиационном облучении кроме механических изменяются также химические и физические свойства материалов:
2. — увеличивается скорость коррозии;
3. — уменьшается электропроводность и теплопроводность металла (повышенное количество образовавшихся при облучении точечных дефектов оказывают рассеивающее действие на движущиеся электроны);

Рисунок 12.2 – Влияние облучения при 450 °С на относительное уве-личение объема аустенитной стали 12Х18Н10Т	1 – σВ; 2 – σ0,2; 3 – δ Рисунок 12.3 – Изменение механических свойств при 20 °С аустенитной стали 12Х18Н10Т после низкотемпературного облучения нейтронами:

• — ускоряются распад пересыщенных твердых растворов и процесс старения;
• — происходят аллотропические превращения;
• — образуются зародыши новых фаз;
• — стимулируются диффузионные процессы, приводящие к ускорению ползучести;
• — повышается способность к бездиффузионным превращениям в нержавеющих сталях;
• — повышается температура перехода в хрупкое состояние;
• — происходит превращение аустенита в феррит.
• Под действием потока нейтронов алюминий, медь, молибден, марганец, кремний, натрий и некоторые другие элементы приобретают наведенную радиоактивность.

Влияние на механические свойства неоднозначно и определяется температурой эксплуатации. В результате радиационного воздействия и образования дополнительного количества точечных дефектов в кристаллической решетке возникают такие же напряжения, как и при холодной пластической деформации.

В термодинамическом отношении она становится неустойчивой. Однако. в отличие от холодной обработки, последствия радиа-ционного воздействия можно ликвидировать отжигом без рекристаллизации.

Это связано с меньшей энергией активации образования вакансий и межузельных атомов и меньшей устойчивостью изменений, полученных в результате облучения по сравнению с холодной пластической деформацией.

Облучение при температуре ниже температуры рекристаллизации – низкотемпе-ратурное облучение, влияет на структурные изменения и механические свойства металлов и сплавов так же, как и холодная пластическая деформация: материал упрочняется, но теряет пластичность.

Изменение временного сопротивления σВ, предела текучести σ0,2 и пластичности при 20 °С аустенитной хромоникелевой стали при увеличении суммарного нейтронного потока φ показано на рисунке 12.3. При φ = 3×1023 м-2 сталь приобретает макси-мальное упрочнение. При дальнейшем увеличении суммарного потока ее свойства не меня-ются.

Упрочнение, полученное в результате низкотемпературного облучения, сохраняется при последующем нагреве до температуры ниже температуры рекристаллизации.

Облучение при температуре выше температуры рекристаллизации – высокотемпе-ратурное облучение, сопровождается радиационным отжигом, который способствует восстановлению структуры и механических свойств.

Перлитные стали при температуре облучения 250–450 °С мало изменяют свойства, а при температуре выше 450 °С свойства практически не изменяются, так как рекристаллизация проходит полностью. Аустенитные стали стабильны при температуре выше 600 °С.

Алюминий и магний, имеющие низкие температуры рекристаллизации, радиационно-стойки при температуре выше 150 °С. Пластичность не меняется, а прочность даже увеличивается (рисунок. 12.4).

Рисунок 12.4 – Изменение механических свойств при 20 °С алюминия после высокотемпературного облучения нейтронами	1 – без облучения (600°С); 2, 3 – после облучения (600°С); (880°С). Рисунок 12.5. – Изменение 100-часовой длительной прочности никелевого сплава при разных температурах испытания

Влияние температуры нагрева при облучении усложняется, если сплав испытывает структурные превращения, так как облучение активизирует диффузионные процессы. Именно с этим связана высокотемпературная хрупкость аустенитных хромоникелевых сталей.

Критический интервал хрупкости молибдена в результате облучения повышается с –30 °С до +70 °С, а углеродистых сталей на 50–100 °С.

В общем случае установлено, что механические свойства металлов с оцк-решеткой изменяются сильнее, чем соответствующие характеристики гцк- и гпу- металлов.

Длительная прочность при облучении всегда снижается, особенно в стареющих сплавах. Это вызвано активизацией диффузионных процессов под действием облучения, которые ответственны за разрушение при повышенных температурах.

Снижение жаропроч-ности при облучении усиливается с увеличением нейтронного потока, температуры облучения и температуры испытания (рисунок 12.5). В то же время при достаточно высоких температурах облучение заметным образом не влияет на скорость ползучести никеля, циркония, константана.

По-видимому, для целого ряда металлов и сплавов существует такая критическая температура, выше которой облучение не влияет на жаропрочность.

Наибольшей чувствительностью к радиоактивному излучению обладают органические материалы. Облучение таких материалов может приводить к разрушению связи в молекулах и образованию новых молекул с иным химическим составом и свойствами. Разрушающее действие оказывают все виды излучения. Характер разрушения проявляется следующим образом:

— усложнением молекулярного строения органической основы пластмасс, так называемое структурирование;

— расщепление молекул на более простые (деструкция).

Оба процесса ведут к ухудшению механических свойств материалов и особенно к снижению эластичности, вплоть до хрупкости. Наиболее стойки к облучению фенольные пластмассы с асбестовым наполнителем, полистирол, полиэтилен, стекловолокно без пластической связки. Менее стойки – органическое стекло, фторопласты, пластмассы на основе эфиров целлюлозы.

Влияние облучения на коррозионную стойкость.Для многих конструкционных реакторных материалов, коррозионной средой является вода, влажный или перегретый пар. В результате электрохимическая коррозия может сопровождаться химической.

При облучении стойкость металлов в условиях химической коррозии снижается из-за разрушения поверхностных защитных пленок. При облучении происходит радиолиз воды: ее молекулы разрушаются и образуются ионы, атомы кислорода, водорода и группы ОН.

Кислород окисляет металл, водород наводораживает его и, тем самым, охрупчивает, усиливая электрохимическое разрушение металла.

а – ×300 б – ×500 Рисунок 12.6 – Микроструктура аустенитной нержавеющей стали, пораженной интеркристаллитной коррозией

Скорость коррозии алюминия и его сплавов в воде при облучении тепловыми нейтронами, скорость потока которых 1016 с–1·м–2, при 190 °С увеличивается в 2–3 раза.

Потеря коррозионной стойкости алюминия в таких условиях может быть вызвана увеличением концентрации ОН-, что приводит к растворению поверхностных защитных оксидов. Радиолиз воды уменьшает коррозионную стойкость циркониевых сплавов.

При облучении тепловыми нейтронами, скорость потока которых 1017 с–1·м–2, скорость коррозии сплава «Цирколой-2» при 20 °С увеличивается в 50–70 раз из-за разрушения защитных пленок.

Облучение аустенитных хромоникелевых сталей также усиливает их коррозию за счет выделения карбидов по границам зерен, которое существенно усиливается при облучении. Во влажном паре оно способствует развитию местных видов коррозии: межкристаллической, точечной, а также коррозионному растрескиванию (рисунок 12.6).

Необходимая радиационная стойкость конструкционного материала может быть обеспечена соответствующим химическим составом, структурой и оптимальными условиями эксплуатации: рабочей температурой, видом и энергией облучающих частиц, величиной потока облучения и свойствами коррозионной среды.

В зависимости от назначения и условий эксплуатации к материалу предъявляются различные требования, касающиеся радиационной стойкости. Наиболее общим является требование размерной стабильности, сохранения целостности, т.е.

стойкости к макроструктурным изменениям, и изменениям механических свойств.

1. Рекомендуемая литература
2. Основная 1 [299-302], 2 [556-561]
3. Дополнительная 6 [381-385]
4. Контрольные вопросы
5. 1 Что называется радиационной стойкостью?
6. 2 Какие свойства под действием излучения изменяются наиболее сильно?
7. 3 На какие основные группы подразделяются все виды излучения?
8. 4 Каков механизм взаимодействия с веществом легких заряженных частиц?
9. 5 Каков механизм взаимодействия тяжелых заряженных частиц с веществом?

Радиационная повреждаемость конструкционных материалов

Радиационно-стойкими материалами называют материалы, сохраняющие стабильность структуры и свойств в условиях нейтронного облучения.

Радиационную среду принято характеризовать нейтронным спектром и нейтронным потоком. Спектр определяется дискретными уровнями энергии нейтронов. В зависимости от энергии нейтронов, используемых для осуществления цепной ядерной реакции, различают реакторы на медленных (тепловых) и быстрых нейтронах.

Нейтронный поток характеризует интенсивность радиационной среды и выражается числом нейтронов с энергией Е > 0,1 МэВ, пересекающих площадь 1 см2 за 1 с (нейтрон/(см2•с)).

Нейтронный поток, суммированный по времени (нейтрон/см2), или флюенс нейтронов, характеризует суммарную дозу облучения и является мерой накопления радиационного воздействия.

На рисунке 9.3 представлена модель радиационных повреждений, возникающих при соударении высокоэнергетических нейтронов с атомами кристаллической решетки.

Рисунок 9.3 – Модель радиационных повреждений, возникающих при соударении нейтронов с атомами кристаллической решетки (модель Зеегера)

Соударения вызывают смещения атомов или каскад смещений в решетке в зависимости от количества энергии, передаваемой нейтроном атому металла. Подвергшийся удару нейтроном первый атом, подобно биллиардному шару, ударяя по другим атомам, вызывает в решетке дополнительные смещения.

В результате развития каскада образуются объемы с высокой концентрацией вакансий, по периферии окруженные зонами с повышенной плотностью межузельных атомов.

Один нейтрон способен создать в алюминии более 6000 вакансий, в бериллии с большей энергией межатомной связи – более 450 вакансий.

Помимо смещений большие нейтронные потоки за счет своей энергии возбуждают атомы, усиливают их колебания (это явление названо «радиационной тряской»), что сопровождается локальным повышением температуры.

Рост температуры способствует радиационному отжигу, сопровождающемуся аннигиляцией вакансий и межузельных атомов.

Высокие температуры и нейтронное облучение могут вызвать в материале ядерные реакции с образованием гелия, что в свою очередь приводит к появлению газовых пузырей по границам зерен.

Структурные изменения приводят к изменению механических свойств. В результате при температуре ниже температуры рекристаллизации – низкотемпературного облучения – металл упрочняется, но теряет вязкость и пластичность.

Влияние суммарного нейтронного потока Ф на временное сопротивление, предел текучести и пластичность аустенитной хромоникелевой стали при 20°С показано на рисунке 9.4.

Сталь приобретает максимальное упрочнение при Ф = 3•1019 нейтрон/см2, причем o0,2 растет интенсивнее oв, что приводит к снижению способности к деформационному упрочнению. Дальнейшее увеличение потока практически не влияет на свойства стали.

Рисунок 9.4 – Изменение механических свойств аустенитной стали 12Х18Н10Т при 20оС после низкотемпературного облучения нейтронами: 1 – oв; 2 – o0,2; 3 – b

Кроме флюенса, на свойства оказывает влияние температура, при которой проходит низкотемпературное облучение (рисунок 9.5). Наиболее резко охрупчивание аустенитных сталей проявляется после облучения в температурном интервале 250 – 350°С.

Рисунок 9.5 – Влияние температуры нейтронного облучения (Ф = 7•1020 нейтрон/см2) стали А304 (Х18Н9) на изменение механических свойств при низкой температуре

Действие низкотемпературного облучения на свойства металла связано преимущественно с образованием точечных дефектов. В условиях облучения выше температуры рекристаллизации (высокотемпературное облучение) роль точечных радиационных дефектов снижается.

Вакансии и межузельные атомы частично аннигилируют друг с другом, частично взаимодействуют с примесями, дислокациями, границами раздела.

Оставшиеся межузельные атомы и вакансии объединяются в кластеры, которые в свою очередь могут превращаться соответственно в дислокационные петли межузельного или вакансионного.

Высокотемпературное облучение активизирует диффузионные процессы и способствует распаду пересыщенных твердых растворов – старению.

Этим объясняется высокотемпературная хрупкость аустенитных хромоникелевых сталей. Активизацией диффузионных процессов также объясняется снижение длительной прочности при облучении.

Падение жаропрочности растет с увеличением температуры и интенсивности нейтронного потока.

При высокотемпературном облучении большими нейтронными потоками в аустенитных сталях и сплавах на основе Ni, Ti, Mo, Zr, Be зарождаются и растут вакансионные поры, а более подвижные межузельные атомы уходят на дальние стоки (краевые дислокации, границы зерен и др.), что приводит к заметному увеличению объема металла – радиационному распуханию.

Объем аустенитных сталей, облученных при рабочей температуре 450°С, линейно растет с увеличением нейтронного потока. Объем может увеличиться на 20 % и более. Распухание усиливается в результате скопления в микропорах газов, образовавшихся при облучении.

Легирование хромоникелевых сталей титаном, молибденом, ниобием снижает их распухание. Высокохромистые ферритные и перлитные стали с меньшей растворимостью водорода характеризуются меньшей склонностью к распуханию.

Пластичность титановых сплавов после облучения также падает. Однако, в отличие от сталей, они не имеют провала пластичности в этом тем-пературном интервале (рисунок 9.6).

Рисунок 9.6 – Деформационная способность aльфа-сплава титана до (1) и после (2) нейтронного облучения (2•1021 нейтронов/см2; Тобл = 250оС; Е > 1 МэВ)

Воздействие облучения на полимерные материалы приводит к разрыву полимерных цепочек. Смещение обрывков цепей и свободных радикалов изменяет свойства полимеров и способствует их разрушению.

Примеры изменения свойств некоторых материалов под действием нейтронного облучения приведены в таблице 9.2.

При облучении резко снижается коррозионная стойкость металлов и сплавов. Вода и водяной пар являются теплоносителями в водном и водопаровом трактах АЭС. Вследствие радиолиза меняется состав электролита – происходит разрушение молекул воды с образованием ионов и атомов кислорода, водорода и щелочных гидроксид-ионов ОН–.

Конструкционные реакторные материалы, подвергающиеся облучению, работают в контакте с водой и паром. Образующийся кислород окисляет металл, а водород его наводораживает и тем самым дополнительно охрупчивает.

Радиолиз воды и увеличение концентрации гидроксид-ионов способствует растворению поверхностных оксидных пленок, в обычных условиях защищающих металл от коррозии.

Скорость коррозии сплавов на основе алюминия в водной среде в условиях облучения возрастает в 2 – 3 раза. Аустенитные хромоникелевые стали во влажном паре подвержены межкристаллитной коррозии и коррозионному растрескиванию.

• ← Раздел 9.1
• Раздел 9.3 →

Радиационно-стойкие материалы

• Содержание:
• Радиационно-стойкие материалы

• Радиационно-стойкие материалы

• Радиационно-стойкие материалы Материалы, подвергшиеся облучению, претерпевают структурные преобразования, которые приводят к нежелательным изменениям свойств в процессе эксплуатации. Наиболее сильное воздействие оказывает нейтронное облучение. эффект облучения а-частиц, протонов, особенно легких Р-частиц и γ-лучей не таков strong. In в связи с этим материал, работающий в условиях облучения, должен быть радиационно стойким.

Радиационная стойкость-стабильность структуры и свойств в условиях облучения. Структурные изменения, вызванные облучением, оказывают наибольшее влияние на механические свойства и коррозионную стойкость. Влияние облучения на структуру и механические свойства. Облучение приводит к образованию точечных и линейных дефектов в материале,

микропор и других структурных повреждений. Людмила Фирмаль

Во время облучения атомы облучаемого материала перемещаются в интерстициальный участок и образуют вакансии. Плотность точечных дефектов увеличивается.

Количество вакансий, образуемых 1 частицей, зависит от ее типа и энергии, а также от свойств облучаемого вещества(таблица 14.12). 1.

одна нейтронная частица обладает меньшей энергией, чем частица а и Протон, поэтому структурные повреждения несопоставимы.

Количество вакансий, образующихся в алюминии, больше, чем в бериллии, что определяется высотой энергии межатомной связи последнего. F*, а также температура облучения и рекристаллизации металла. При облучении количество дефектов в металле увеличивается с увеличением общего flux. By по характеру воздействия на механические свойства облучение напоминает холодную пластическую деформацию.

• Когда нейтроны облучаются большими потоками, они не только перемещают атомы материала в зазор, но и возбуждают их, передавая часть своей энергии. При возбуждении усиливаются колебания атомов и их окрестностей на участке решетки, сопровождающиеся локальным повышением температуры в малом объеме Кристалла. Отжиг радиации произведен мимо heating. Jobs и интерстициалы взаимодействуют-Аннигиляция или-нуль уменьшает концентрацию defects. At одновременно происходит процесс образования кластеров вакансий, которые превращаются в дислокационные петли или микропоры с очень большими потоками, что приводит к расширению.

Кроме того, в некоторых материалах при облучении происходит ядерная реакция с выделением газообразных продуктов.

Облучение органических материалов приводит к разрушению связей в молекуле и образованию новых молекул с различным химическим составом и свойствами.

Облучение при температурах ниже температуры рекристаллизации низкотемпературное облучение влияет на структурные изменения и механические свойства металлов и сплавов, а также на холодную пластическую деформацию.

Материал затвердевает, но теряет свою пластичность. Людмила Фирмаль

Максимальная прочность углеродистой стали при 20°с достигается облучением суммарным потоком нейтронов; 2-Р0.

2; 3-5 Облучение при температурах выше температуры рекристаллизации и высокотемпературное облучение сопровождаются радиационным отжигом, который способствует восстановлению структуры и механических свойств.

Перлитная сталь при температуре облучения 250-450°с практически не изменяет своих свойств, а при температурах выше 450°с рекристаллизация происходит идеально, так что свойства практически не меняются.

Аустенитные стали стабильны при температурах выше 600°С. низкие температуры рекристаллизации алюминия и магния радиационно устойчивы при температурах выше 150°С.

пластичность НС изменяется, а прочность также увеличивается(рис. 14.19). Полученное упрочнение при низкотемпературном облучении сохраняется даже при нагреве до температуры ниже последующей рекристаллизации temperature.

In молибден, упрочнение которого получено облучением (при 20°С

Радиационностойкие материалы и их особенности

Свойства материалов, которые подвергаются воздействию излучения, должны рассматриваться в трёх категориях:

• Механической (прочность, твёрдость, относительное удлинение);
• Тепловой (теплопроводность);
• Оптической (коэффициенты излучения, поглощения и отражения).

Радиационная стойкость материалов принято рассматривать отдельно для наземных и искусственных космических объектов.

Понятие радиационной стойкости материалов

Материалы, защищающие от излучения, используются для различных радиологических применений – в медицине, технике неразрушающего контроля, при производстве космических летательных аппаратов и пр.

Однако использование радиации сопряжено с риском.

Те, кто использует радиацию, должны быть надлежащим образом обучены радиационной безопасности, радиационной физике, биологическим эффектам радиации, чтобы гарантировать безопасность.

Таким образом, выбор радиационно стойких материалов важен для того, чтобы снизить влияние внешнего радиационного облучения на человека, а также на экологию окружающей среды.

Одним из основных принципов снижения влияния радиоактивного излучения является экранирование — использование поглощающего материала (оргстекла, для бета-частиц и свинца для рентгеновских и гамма-лучей).

Экранирование используется в различных областях, включая диагностическую визуализацию, лучевую терапию, ядерную и промышленную защиту.

Способность к экранированию считается одной из основных составляющих, которой определяется радиационная безопасность материалов.

Различают экранирование объектов и экранирование производственного персонала.

В первом случае используют механически прочные защитные экраны, конфигурация которых соответствует форме защищаемого объекта, во втором – защитную одежду, которая ослабляет рентгеновское излучение: фартуки, жилеты, обувь. Интенсивность экранирования зависит от индивидуальной стойкости веществ к радиоактивному излучению.

Стойкость неорганических материалов

Исторически материалы для защиты от излучения изготавливались из свинца. Однако в последнее время, кроме свинца, используются также композиты на его основе и бессвинцовистая неорганика.

Противорадиационная стойкость свинца связывается с его высокой плотностью, которая составляет 11,34 г/см³. Это делает данный металл полезным для эффективной защиты от рентгеновского и гамма излучения.

Свинец в чистом виде хрупок, поэтому непосредственно для экранирования его не применяют.

Чтобы превратить чистый свинец в радиационно-защитный материал, его смешивают со связующими веществами и добавками, получая гибкий свинцово- виниловый лист. Затем из этих листов набирается необходимая толщина защитного покрытия.

Существует три стандартных уровня защиты, эквивалентных свинцу, для традиционной одежды с радиационной защитой из свинца: 0,25 мм, 0,35 мм и 0,5 мм.

Свинцовая композитная защита представляет собой смесь свинца с другими, более лёгкими металлами.

Состав композита варьируется в зависимости от назначения, но обычно туда входят олово, резина, ПВХ, и другие металлы, ослабляющие радиацию.

Экранирование из композиционной смеси на основе свинца легче (до 25%), чем свинец обычного сорта, при этом фактическая эффективность защиты остаётся на прежнем уровне.

Из других металлов, обладающих высокой радиационной стойкостью, следует отметить некоторые тяжёлые металлы, которые относятся к той же группе, что и свинец, и, следовательно, так же хорошо поглощают или блокируют излучение. В ряду высокой радиационной стойкости находятся олово, сурьма, вольфрам, висмут.

Стойкость полимеров

Радиационная стойкость полимеров и пластика сильно зависит от длины волны базового излучения, но с уменьшением длины волны (что характерно именно для рентгеновского и гамма-излучения) противорадиационная способность всех неметаллов снижается. Поэтому излучение высокой энергии часто приводит к снижению характеристик удлинения и развитию хрупкости в полимере.

Общий срок службы пластика зависит от общего количества поглощённого излучения. Такие материалы, как полиэстер или полиамид, обладают удовлетворительной устойчивостью к гамма-излучению и рентгеновским лучам. Наоборот, полиэтилен (особенно высокого давления) весьма чувствителен к радиации, и поэтому в активных ионизирующих средах не применяется.

Информацию, касающуюся радиационного сопротивления пластмасс, следует рассматривать только как ориентир, поскольку различный химический состав пластика, мощность дозы, уровень механического напряжения, температура окружающей среды играет основную роль в противорадиационной стойкости. Обычно рекомендуется проводить экспериментальное тестирование применительно к конкретным условиям.

Стойкость органических веществ

Радиационная стойкость материалов органического происхождения – сельскохозяйственных культур, кустарников, деревьев – важна для оценки их экологической безопасности при потреблении (овощи, фрукты) и проведении сезонных лесохозяйственных работ, например, при высадке саженцев.

Высокие дозы облучения, используемые при попытках произвести стерильные или пригодные для длительного хранения фрукты или овощи, ухудшают вкус продуктов. При этом их безопасность (при сравнительно низких дозах облучения, ниже 3 кГр) для потребления полностью обеспечивается.

С другой стороны, облучение эффективно убивает бактериальные патогены в свежих, а также свежесрезанных овощах и фруктах. Эта эффективность распространяется на некоторые бактериальные патогены человека, а также на бактериальные фитопатогены, что приводит к увеличению сроков сохранения органики.

Более устойчивыми к облучению являются патогенные вирусы и грибы.

Таким образом, радиационное облучение считается одним из наилучших способов безопасности потребления фруктов и овощей.

Радиационная стойкость

Радиационной стойкостью называется способность веществ сохранять свои характеристики, например физико-механические, электрические и прочие, под воздействием радиации. Эти свойства могут меняться из-за смещения атомов вещества в кристаллической решётке, реакций ядер атомов, разрыва химических связей и других факторов. Указанные процессы бывают как обратимыми, так и необратимыми.

Радиационные изменения кристаллической решётки могут приводить к различным изменениям в свойствах материала. В том числе они зависят от его природы.  

Стойкость неорганических материалов

При воздействии радиации на металлы возникающие одиночные дефекты как правило приводят к упрочнению материала. При этом электрическое сопротивление металлов растет ввиду появления дефектов в их решетке. Особенно сильно меняют свои свойства при радиационном облучении полупроводниковые материалы.

Показатель стойкости неорганических химических соединений к радиации зависит от кристаллической структуры и типов химических связей в этих соединениях. Самую большую устойчивость к радиации показывают ионные кристаллические решетки. Структуры с высокими плотностями и симметрией наиболее устойчивы к действию радиоактивных лучей.

При воздействии радиации на стекла наблюдается изменение степени прозрачности стекла, а также его окрашивание и кристаллизация.

У силикатных кристаллов наблюдается анизотропное расширение, аморфизация структуры, снижение плотности, упругих и теплопроводных характеристик. Оксиды ведут себя похожим образом при воздействии излучения.

Что касается бетонов, то они практически не теряют свойств при не критически высоких дозах облучения.  

Стойкость органических веществ

Изменения характеристик органических материалов происходят из-за процессов возбуждения и ионизации молекул с образованием неравновесных частиц: электронов, ионов, радикалов, возбужденных молекул и т.д. Часто реакция облучения органических соединений характеризуется выделением различных газов.

Также радиационная стойкость органических соединений находится в зависимости от количества растворённого кислорода и скорости его диффузии в вещество. Растворенный кислород способствует радиационно-химическому окислению материалов, что приводит к изменению его химической и термической стойкости.

Обратимые изменения обусловлены установлением стационарного равновесия между генерацией нестабильных продуктов радиолиза и их гибелью, поэтому они зависят от мощности дозы. Сопротивление органических изоляционных материалов уменьшается при росте мощности дозы радиации.  

Стойкость полимеров  

С точки зрения полимерной науки воздействие радиации приводит в основном к «сшиванию» («сшивке») и деструкции полимеров. Это необратимые процессы, которые приводят к очень существенным изменениям структуры полимерного материала, особенно в присутствии кислорода.

Рис.1. «Сшитый» полимер с новыми поперечными связями

Также, в полимерных материалах и других органических соединениях зачастую возникает процесс после радиационного старения, который инициируется и поддерживается главным образом за счет химических реакций свободных радикалов. Эти частицы возникают при облучении полимеров в среде атмосферного кислорода.

Радиационная устойчивость у полимерных диэлектриков определяется главным образом их механическими, а не электрическими, характеристиками. Большая часть полимеров демонстрируют повышенную хрупкость и становятся не в состоянии переносить обычные для этих материалов механические нагрузки при получении доз радиации, не вызывающих существенных изменений их электрических показателей.

Стойкость полимеров к воздействию радиации также зависит от их молекулярного строения. Самой большой устойчивостью обладают полимеры, включающие в состав макромолекулы бензольные ядра, а самой малой — состоящие из алифатических звеньев, содержащие четвертичный атом углерода и атомы галогенов. Ниже приведена градация некоторых полимерных материалов по стойкости к радиационному излучению:

• — полистирол,
• — полиэтилен,
• — полиамиды,
• — ПВХ,
• — ПММА,
• — политетрафторэтилен.
• Основными показателями, описывающими необратимые изменения механических свойств полимерных материалов при радиационном излучении, являются:
• — предел прочности материала,
• — модуль упругости,
• — предел деформируемости.

Радиационное материаловедение

Радиационное материаловедение описывает взаимодействие излучения с веществом : обширная тема, охватывающая многие формы излучения и материи.

Основная цель радиационного материаловедения [ править ]

Некоторые из наиболее серьезных эффектов облучения материалов происходят в активной зоне ядерных энергетических реакторов, где атомы, составляющие структурные компоненты, смещаются многократно в течение их инженерного срока службы.

Последствия излучения для компонентов активной зоны включают изменение формы и объема на десятки процентов, повышение твердости в пять или более раз, резкое снижение пластичности и повышенную хрупкость.и склонность к растрескиванию, вызванному окружающей средой.

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-стойкие материалы, которые могут лучше служить своей цели.

Радиация [ править ]

Типы излучения, которые могут изменить конструкционные материалы, включают нейтроны , ионы , электроны и гамма-лучи . 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 врезки в других областях и дисциплинах , таких как использование ускорителей для превращения из радиоактивных отходов , или в создании новых материалов путем ионной имплантации , смешивания ионного пучка , с помощью плазмы ионной имплантации иионно-лучевое осаждение .

Воздействие облучения на материалы уходит корнями в начальное событие, когда энергетический снаряд поражает цель. Хотя событие состоит из нескольких этапов или процессов, основным результатом является смещение атома из узла его решетки.

Облучение смещает атом с его узла, оставляя после себя вакантный узел ( вакансию ), и смещенный атом в конечном итоге останавливается в месте, которое находится между узлами решетки, становясь межузельным атомом. 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 с применениемнапряжения , механические эффекты облучения за счет возникновения промежуточных явлений, таких как набухание , рост , фазовый переход , сегрегация и т.д.

В дополнение к атомному смещению энергичная заряженная частица, движущаяся в решетке, также передает энергию электронам в системе через электронную тормозную способность . Эта передача энергии может также для частиц высокой энергии вызывать повреждение неметаллических материалов в виде так называемых ионных треков . [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 получено с помощью классического молекулярно-динамического моделирования 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 показано на шкале справа. В итоге остаются как точечные дефекты, так и дислокационные петли.

Радиационные повреждения [ править ]

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:

1. Взаимодействие энергичной налетающей частицы с атомом решетки
2. Передача кинетической энергии атому решетки, в результате чего рождается первичный ударный атом
3. Смещение атома из узла его решетки
4. Прохождение смещенного атома через решетку и сопутствующее создание дополнительных выбиваемых атомов.
5. Создание каскада смещения (совокупность точечных дефектов, созданных первичным ударным атомом)
6. Прекращение первичного выбитого атома как межузельного

Результатом события радиационного повреждения является, если энергия, передаваемая атому решетки, выше пороговой энергии смещения , создание совокупности точечных дефектов (вакансий и междоузлий) и кластеров этих дефектов в кристаллической решетке.

Суть количественной оценки радиационных повреждений твердых тел заключается в количестве перемещений на единицу объема в единицу времени  :

р

{ displaystyle R}

р
знак равно
N

∫

E

м
я
п

E

м
а
Икс

∫

Т

м
я
п

Т

м
а
Икс

ϕ
(

E

я

)

σ
(

E

я

,
Т
)

υ
(
Т
)

d
Т

d

E

я

.

{ 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}.}

где есть плотность атомов, и являются максимальной и минимальной энергией поступающей частицы, является потоком частиц зависят от энергии, и являются максимальными и минимальной энергией , передаваемой при столкновении частицы энергии и решетке атома, является кросс сечение столкновения частицы энергии, которое приводит к передаче энергии пораженному атому, представляет собой число смещений на первичный ударный атом.

N

{ displaystyle N}

E

м
а
Икс

{displaystyle E_{max}}

E

m
i
n

{displaystyle E_{min}}

ϕ
(

E

i

)

{displaystyle phi (E_{i})}

T

m
a
x

{displaystyle T_{max}}

T

m
i
n

{displaystyle T_{min}}

E

i

{displaystyle E_{i}}

σ
(

E

i

,
T
)

{displaystyle sigma (E_{i},T)}

E

i

{displaystyle E_{i}}

T

{displaystyle T}

υ
(
T
)

{displaystyle upsilon (T)}

Двумя ключевыми переменными в этом уравнении являются и .

Этот термин описывает передачу энергии от падающей частицы к первому атому, с которым она сталкивается в мишени, первичному ударующему атому; Вторая величина — это общее число смещений, которые первичный выбивающий атом совершает в твердом теле; Взятые вместе, они описывают общее количество смещений, вызванных падающей частицей энергии , а приведенное выше уравнение учитывает распределение энергии падающих частиц. В результате получается общее количество смещений в мишени от потока частиц с известным распределением энергии.

σ
(

E

i

,
T
)

{displaystyle sigma (E_{i},T)}

υ
(
T
)

{displaystyle upsilon (T)}

σ
(

E

i

,
T
)

{displaystyle sigma (E_{i},T)}

υ
(
T
)

{displaystyle upsilon (T)}

E

i

{displaystyle E_{i}}

В радиационном материаловедении повреждение от смещения в сплаве ( = смещения на атом в твердом теле ) лучше отражает влияние облучения на свойства материалов, чем флюенс (флюенс нейтронов ).

[

d
p
a

]

{displaystyle left[dpa
ight]}

[

M
e
V

]

{displaystyle left[MeV
ight]}

Радиационно-стойкие материалы [ править ]

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.

В частности, ядерные реакторы поколения IV работают при более высоких температурах и давлениях по сравнению с современными реакторами с водой под давлением , которые составляют огромное количество западных реакторов.

Это приводит к повышенной уязвимости к нормальным механическим повреждениям с точки зрения сопротивления ползучести, а также к радиационным повреждениям, таким как нейтронно-индуцированное набухание 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 за счет инженерного сопротивления этим событиям смещения.

Инженерия границ зерен [ править ]

Гранецентрированные кубические 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 обработки, в частности, обеспечивает лучшую стойкость к коррозионному растрескиванию под напряжением и окислению. [3]

Выбор материалов [ править ]

Используя передовые методы выбора материалов, можно судить о материалах 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
Вести	0,17
Цирконий	0,18
Алюминий	0,23
Железо	2,56
Аустенитная нержавеющая сталь	3.1
Никель	4.5
Титана	6.1
Кадмий	2520

Самоорганизация ближнего порядка (СРО) [ править ]

Для никель-хромовых и железо-хромовых сплавов ближний порядок может быть разработан в наномасштабе (