Радиационные дефекты и свойства материалов

Образование дефектов и перестройку структуры материалов под действием облучения называют радиационным повреждением. Радиационная стойкость материала - стабильность структуры и служебных свойств в условиях облучения.

Плотность потока облученияв стационарных реакторных установках достигает следующих значений: для быстрых нейтронов (Е=0,1 МэВ) 10¹⁵ – 10²⁰; для тепловых нейтронов (Е=0,025 МэВ) 10¹⁶ – 10²⁰ нейтр/м²; для g-излучений - до 10⁴ – 10⁷ рад/с. Температурные условия облучения материалов реакторов меняются от 110 до 1200°С. Повышенные температуры, внешняя нагрузка и наличие агрессивных сред усложняют общую картину образования радиационных дефектов.

Переданная материалу энергия частиц способствует разрыву межатомных связей. Простейшим радиационным дефектом является смещенный в междоузлие атом с образованием вакансии. Смещаемый атом ускоряется, а его кинетическая энергия расходуется на ионизацию атомов, расположенных вдоль траектории движения. В результате возникает каскад радиационных дефектов. Облучение может приводить к химическим и ядерным реакциям в материале, а также к появлению в структуре материала самих бомбардирующих частиц (ионное внедрение - имплантация). Это вызывает появление примесей в материале, и является второй причиной возникновения радиационных дефектов. Радиационные дефекты способны изменять как поверхностные, так и объемные свойства материалов. К поверхностным дефектам приводит облучение частицами низких энергий, к объемным дефектам – облучение быстрыми нейтронами. В потоках быстрых нейтронов существует пороговое значение флюенса нейтронов, ниже которого влияние облучения на изменение свойств материала незначительно. В табл. 6. приведены пороговые значения флюенсов быстрых нейтронов и изменения свойств некоторых конструкционных материалов.

В условиях радиационного облучения к свойствам конструкционных материалов предъявляются следующие требования:

1) высокая механическая прочность и пластичность;

2) высокая термическая стабильность (теплостойкость);

3) высокая коррозионная стойкость и совместимость с другими материалами;

4) высокая теплопроводность;

5) низкое сечение поглощения (захвата) нейтронов;

6) большая радиационная стабильность;

7) низкая наведенная радиоактивность;

8) высокое сечение рассеяния нейтронов, большая потеря энергии нейтронов за одно столкновение.

Таблица 6.

Значения порогового флюенса быстрых нейтронов

и изменения свойств материалов

Пороговый флюенс, (нейтр./м^2)	Материал	Вызываемые изменения свойств
10^24	Углеродистые стали	Повышение предела текучести. Снижение ударной вязкости
10^25	Сплавы циркония Углеродистые стали	Снижение пластичности, рост предела текучести
	Коррозионно-стойкие стали	Снижение пластичности, рост предела текучести, повышение критической температуры хрупкости
10^26	Алюминиевые сплавы Циркониевые сплавы Никелевые сплавы	Значительное падение пластичности Заметное снижение пластичности Распухание, падение пластичности

Первые четыре требования являются общими для всех конструкционных материалов; пятое - восьмое - специфическими свойствами, определяемыми необходимостью экономии нейтронов, эффективного их замедления, а также стремлением иметь минимальное снижение служебных характеристик под влиянием радиационного облучения. Специфические требования определили выбор элементов, служащих основой и легирующими добавками реакторных металлических материалов. Наиболее подходящими материалами для работы в условиях радиационного облучения являются сплавы бериллия, магния, циркония, никеля и аустенитные коррозионностойкие стали.

Облучение в условиях эксплуатационного нагрева ниже температуры рекристаллизации (низкотемпературное облучение) влияет на структурные изменения и механические свойства сплавов так же, как холодное пластическое деформирование: материал упрочняется, но теряет пластичность. Облучение при нагреве выше температуры рекристаллизации (высокотемпературное об­лучение) сопровождается радиационным отжигом, способствующим восстановлению структуры и механических свойств.

Дата добавления: 2015-12-07