108909 (Материалы ядерной энергетики)

МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ.

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ.

БАШЛЫКОВ Н.А.

МАТЕРИАЛЫ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ.

СОДЕРЖАНИЕ:

1. ВВЕДЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ОБЛУЧАЕМЫХ

МАТЕРИАЛАХ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.

3. СМЕЩЕНИЕ АТОМОВ В КРИСТАЛЛИЧЕС-

КОЙ РЕШЁТКЕ ПОД ДЕЙСТВИЕИОНИЗИРУЮ-

ЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5.

4. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ РАДИОАКТИВ-

НЫХ ОТХОДОВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8.

1. ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА . . . . . . . . . . . . . . . . . .10.

ВВЕДЕНИЕ.

В настоящее время, в связи сростом производства и возрастанием потребностей человечества происходит рост потребляемой энергии. Однако путь беспощадной эксплуатации внутреземных источников энергии неэкологичен. Безусловно, перспективны поиски и разработки новых источников энергии. К ним в первую очередь относится ядерная энергетика. Использование ядерной энергии сдерживается не столько по соображениям надёжности ядерных реакторов, сколько из-за проблемы создания материалов, подходящих для использования в реакторах. Эти материалы должны удовлетворять следующим требованиям:

1. Стойкость к высоким температурам.

2. Стойкость к разрушающему воздействию ионизирующего излучения.

Различные виды излучения, воздействуя на твердые тела, вызывают специфические радиационные дефекты. В настоящее время имеются многочисленные доказательства не только образования дефектов, но и изменения их вида, формы, скорости движения в процессе облучения.

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ОЛУЧАЕМЫХ

МАТЕРИАЛАХ.

Изучая результаты радиационного повреждения в металлах, следует различать первичные и вторичные эффекты, в результате которых в облучённых материалах образуются дефекты, наблюдаемые экспериментально.

Первичным эффектом повреждения кристаллической решётки металлов радиацией следует считать передачу одному из атомов решётки достаточно большой кинетической энергии и одновременную передачу дополнительной энергии системе свободных и связанных электронов.

Возбуждённый атом (атом, получивший дополнительную кинетическую энергию) движется сквозь решётку, расталкивая атомы и, оставляет за собой след – область повреждения, которая состоит из смещённых атомов, окружённых облаком возбуждённых электронов. Таким образом, одним из результатов первичного эффекта взаимодействия ионизирующего излучения с веществом является образование вакантных мест в решётке и междоузельных атомов.

Ко вторичным эффектам облучения, приводящим к наблюдаемым на практике радиационным дефектам определённой конфигурации, следует отнести движение и образование ассоциаций точечных дефектов. Этот процесс зависит от реальной структуры кристаллов (наличия нарушений кристаллической решётки, системы дислокаций, примесей и т. п.) и энергии, переданной системе свободных и связанных электронов.

С этой точки зрения, нет никакой разницы в воздействии на вещество, например, быстрых нейтронов и - излучения. Оба вида излучения воздействуют на весь объём материала, так как проникающая способность нейтронов и - квантов достаточно высока.

В случае нейтронных потоков смещение атомов вызывают сами нейтроны, в случае - излучения – вторичные электроны. Разница в том, что электроны, образованные - квантами, вызывают единичные смещения, а нейтроны – каскады вторичных и более высокого порядка смещений. Расчеты показывают, что нейтрон вызывает на два-три порядка больше точечных дефектов, чем электрон или - квант, рождающий быстрый электрон. Одновременно с генерацией точечных дефектов нейтроны и - кванты передают определённую часть своей энергии электронам кристаллической решётки. Свободная энергия металлической системы повышается, и при этом понижается энергия активации процессов, связанных с перемещением атомов и дефектов. В результате увеличения подвижности атомов и дефектов, а также в зависимости от физических и атомных параметров вещества и некоторых внешних факторов, может образоваться многообразие наблюдаемых методами электронной микроскопии радиационных дефектов: ассоциации вакансий и междоузельных атомов; дискообразные скопления точечных дефектов, захлопывающихся в определённых условиях в петли дислокаций, и многие другие дефекты.

Увеличению подвижности точечных дефектов и атомов может способствовать и перераспределение относительной плотности свободных и локализованных электронов в микрообластях кристалла, возникающие как в результате образования радиационных дефектов, так и вследствие возникновения динамической дополнительной подвижности элементов системы. Как свидетельствуют опыты, значительно увеличивается подвижность атомов в зонах радиационных повреждений, создаваемых быстрыми заряженными частицами, осколками деления, либо ионизированными смещёнными атомами.

Динамика образования определённого сложного радиационного дефекта зависит от параметров подвижности атомов и дефектов в металлическом твёрдом теле в процессе облучения. Немаловажное значение в увеличении подвижности дефектов, вероятно, играет и наведённое излучением электронное возбуждение, так как в области низких температур термодинамика предсказывает чрезвычайно низкие диффузионные характеристики атомов и дефектов, в то время как при облучении даже в области низких температур иногда наблюдаются ассоциации дефектов, которые могут образоваться только в результате диффузионного перемещения атомов либо дефектов.

При достаточно высокой температуре, дефекты претерпевают ряд превращений: взаимно уничтожаются; часть дефектов может выходить на поверхность металла или границы зёрен. Если дефекты адсорбируются дислокацией, то это приводит к закреплению последних. Если поглощённых дефектов много, они перемещаются вдоль линии дислокации и, собираясь вместе, образуют зубцы, тормозящие движение дислокаций. В результате поглощения дефектов дислокация закрепляется, упрочняется материал.

Точечные дефекты могут не только адсорбироваться дислокациями, но и объединяться, образуя дивакансии, тройные вакансии и комплексы вакансий. На дальних расстояниях вакансии не взаимодействуют, но при встрече они могут объединяться в прочный комплекс (его образование происходит с понижением энергии всей системы). Образованные поливакансии испытывают рост. Отдельные вакансии, непосредственно сливаясь в плоскости слоя или образуя сначала сферические полости, которые в дальнейшем сплющиваются, переходят в своеобразные кольцевые дислокации. Кольцевая дислокация может поворачиваться, подвижность её ограничена и носит диффузионный характер (дислокация может расти и уменьшаться в результате механизма переползания). Существенно важно, что кольцевая дислокация препятствует движению дислокаций обычного типа – краевых и винтовых. Появление кольцевых дислокаций упрочняет металл. Такие кольцевые дислокации действительно наблюдаются с помощью электронного микроскопа.

СМЕЩЕНИЕ АТОМОВ В КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЁТКЕ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ.

Рассмотрим теперь некоторые вопросы теории смещения атомов в результате воздействия радиации на кристаллическую решётку твёрдых тел.

При упругом столкновении бомбардирующей частицы с атомом, последний в некоторых случаях приобретает энергию , превышающую некоторую энергию, которая называется пороговой энергией смещения . В таком случае возбуждённый атом покидает своё место в решётке. При этом он может пройти одно или несколько межатомных расстояний, пока не остановится в междоузлии. В момент перемещения такой атом теряет связь с решёткой, но оказывает возбуждающее влияние на электронные связи атомов окружения. Образуется пара типа Френкеля: вакансия – междоузельный атом. для обычных металлов находится в пределах 20 – 40 эВ. Если , то образуется одна пара Френкеля; при >> создаётся два, три или целый каскад дефектов такого же типа.

Если кристаллическая решётка облучается потоком тяжёлых частиц, то энергия, получаемая атомом вещества, достигает больших значений, и вблизи конца пути первично выбитого атома среднее расстояние между соударениями в плотноупакованных кристаллических решётках должно быть приблизительно равно среднему межатомному расстоянию. В этом случае атом на пути первично выбитого атома смещается со своего места и образуется область сильного искажения, интерпретируемая как пик смещения.

При облучении материалов нейтронами спектра реактора либо тяжёлыми частицами с большой энергией кристаллическая решётка испытывает огромное число элементарных повреждений.

Несмотря на отсутствие корректной теории, учитывающей коллективные процессы и совокупность взаимодействий в решётке, усреднённое число смещённых атомов можно оценить довольно точно с помощью очень простой модели, основанной на представлении о парных столкновениях.

Одной из характеристик столкновения является энергия, передаваемая бомбардируемому атому. В зависимости от геометрических параметров столкновения (взаимного направления движения частицы и колебания атома) она может меняться от нуля, при

столкновениях под очень малым углом, до максимальной величины , при лобовом столкновении. Из законов сохранения энергии и импульса при упругом столкновении определяется соотношением

,

где Е и m – энергия и масса взаимодействующей быстрой частицы; М – масса атома вещества.

Для электронов с высокой энергией (Е >> 1 МэВ) следует учитывать релятивистские эффекты. В этом случае предыдущее выражение превращается в

.

В случае столкновения с тяжёлой частицей высокой энергии можно ожидать возникновение каскада смещений. Среднее число атомных смещений рассчитывается в простейшем случае по формуле

,

где - плотность потока ионизирующего излучения; t – время облучения; - число атомов в единице объема; σ_d1 – сечение столкновений, вызывающих смещения; - среднее число смещений на один первично смещенный атом.

- средняя энергия, передаваемая атому быстрой частицей. Величина Е_d зависит от направления смещения относительно кристаллографических осей кристалла, что связано с анизотропией сил связи, а также от природы сил связи атомов в решетке.

Среднее число вторичных смещений

,