Радиационные повреждения конструкционных материалов

Представления о радиационных повреждениях в материалах развиты в фундаментальных трудах и многочисленных публикациях и обзорах.

При реакторном облучении повреждения в структуре конструкционных материалов создают, в основном, быстрые нейтроны. Начальным актом их взаимодействия с веществом является образование первично выбитых атомов (ПВА). Переданная ПВА энергия впоследствии реализуется в так называемом радиационном каскаде. Развитие каскада происходит поэтапно.

Первый этап – стадия атомных столкновений. Длится он доли пикосекунды (пс), заканчиваясь остановкой атомов. На нём создаются в равном количестве избыточные вакансии и междоузельные атомы и в материале появляются зоны обеднения и обогащения.

На втором, релаксационном этапе длительностью в ~ 0,5 пс формируются поля напряжений вокруг точечных дефектов. Пары Френкеля в зоне неустойчивости мгновенно рекомбинируют. Область каскада сохраняет высокую температуру, которая может превысить Т_m.

На третьем этапе (несколько пикосекунд) происходит остывание каскада. Последний, четвёртый этап – стадия отжига и достижения термического равновесия, когда происходят диффузионные релаксационные процессы с дополнительной рекомбинацией разноимённых точечных дефектов и формированием кластеров из одноимённых. На этом самом длительном этапе возникают дислокационные петли (вакансионные в обеднённых зонах и междоузельные в обогащённых).

Описывая воздействие нейтронов на структуру материала, используют понятия смещений и замещений.

Число смещений определяется числом ПВА и производимыми ими смещениями n в каскаде. Число ПВА определяют как Ns, где s_р - микроскопическое сечение рассеяния нейтрона со смещением атома решётки, равное обычно (1-10)10^-24 см^-2, N – число атомов в единице объёма. ПВА образуются при передаче атомам энергии не менее 25 эВ. При этом допускается, что нейтроны с массой m_n рассеиваются на атомах c массой m_a практически по закону упругих шаров. Это означает, что атом может получить от нейтрона энергию от 0 до 4m_nm_aЕ_n/(m_n+m_a), где Е_n – энергия нейтрона. Если переданная энергия больше некоторого предела Е_i, одна часть её уходит на ионизацию атома, другая рассеивается упруго в каскаде столкновений. С ростом переданной энергии затраты на ионизацию возрастают. Максимальная энергия упругого рассеяния практически ограничена величиной Е_i. Концентрация С_d точечных дефектов одного и другого вида, создаваемых нейтронами с энергией Е_n,i выражается как Ф_its_р,in_i = F_is_р,in_i.

Число замещений, приводящих к перемешиванию атомов разного сорта, обычно в 3-4 раза больше числа смещений. Чтобы создать замещение, атом должен получить энергию, примерно в 10 раз меньшую, чем при создании смещения.

Анизотропия распределения атомов в кристалле ответственна за эффект каналирования, когда часть ПВА глубоко проникает между плотноупакованными рядами атомов без замещений с образованием в конце пары Френкеля. Каналирование способствует увеличению области каскада и учитывается соответствующей корректировкой n. На последних стадиях каскада по мере уменьшения энергии выбитого атома и увеличения сечения его рассеяния каналирование сменяется эффектом фокусировки траектории полёта вдоль основных направлений в кристалле. Фокусировка увеличивает число замещений (динамический кроудион) или вообще не связана с созданием смещений и замещений (фокусон).

Влияние свойств материала, характера симметрии его кристаллической решётки широко исследуются методами машинного моделирования. Они позволили изучить эффекты каналирования, фокусирования и многие другие особенности каскадов соударений.

Радиационные дефекты могут создаваться в результате протекания реакции захвата нейтрона атомами с эмиссией g- квантов, a-частиц и протонов. Наибольшими сечениями s_з захвата обладают тепловые нейтроны. В этом случае s_з могут превосходить s_р в 10⁵ раз. Сечение s_з быстрых нейтронов меньше, чем у тепловых. Их отношения равны 5400 у гадолиния, 500 у кадмия, 2 у титана. При эмиссии g- квантов, a-частиц и протонов атомы приобретают энергию отдачи. При эмиссии g- квантов с энергией 6 МэВ энергия отдачи атомов со средним атомным весом (50-60) будет составлять 350-400 эВ. Такие атомы способны произвести лишь несколько смещений. Однако при больших величинах s_з их вклад в общее число смещений может быть значительным.

Возникающие при захвате нейтрона излучения могут сами приводить к смещениям. К примеру, g- кванты взаимодействуют с атомами с образованием быстрых электронов - фотоэффект при Е_g до 100 кэВ, Комптон-эффект при Е_g от 0,5 до 1 МэВ и эффект образования пар при Е_g 0т 1 до 5 МэВ (энергии Е_g приведены для атомов с атомными номерами меньше 60). При Комптон-эффекте, область проявления которого постепенно сужается с увеличением атомного номера, сечения s_с атомного смещения могут для некоторых элементов быть сопоставимыми с s_с при нейтронном облучении. Из-за малой массы электронов передаваемая ими атомам энергия мала и способна произвести лишь единичные смещения. Но при больших сечения s_з захвата нейтронов производимые смещения могут быть значимыми.

По сравнению с потоком нейтронов производимые ими смещения атомов являются более удобной характеристикой, лучше отражающей степень воздействия радиации на конструкционные материалы. Существуют методики расчёта числа смещений К, приходящихся на один атом того или иного элемента в единицу времени (сна/с или сна/ч). Величину К называют скоростью радиационного повреждения. При расчётах К для каждой энергетической группы нейтронов используют сечения s_см,i образования смещений, равные s_р,in_i. Их рассчитывают по моделям упругого и неупругого рассеяния нейтронов и ПВА с учётом ионизации, захвата нейтронов, ионизации, воздействия g- квантов, a-частиц и протонов (табл. 6). Значения К для железа приведены в табл. 5. Общее число таких смещений Кt, производимых за время t, называют дозой радиационного повреждения.

К радиационным повреждениям, производимым реакторным облучением, относят также аморфизацию и растворение мелкодисперсных выделений, изначально образованных в материале в целях его упрочнения. Аморфизация и растворения наблюдаются в местах прохождения каскада соударений, сопровождающегося нагревом и перемешиванием атомов. Такое перемешивание снижает и степень упорядочения сплавов.

Помимо ядерных реакторов радиационные излучения создают ускорители и источники, основанные на использовании радиоактивных изотопов, полученных при реакторном облучении стартового материала. Возникает проблема эксплуатации или исследования конструкционных материалов в условиях высокопоточного облучения ионами разных элементов, протонами, a- частицами и электронами.

Лёгкие заряженные частицы рассеиваются на атомах мишени по закону Резерфорда, основанному на кулоновском взаимодействии. При этом передача малых количеств энергии более вероятна и, несмотря на большие, чем у нейронов, сечения рассеяния, число смещений получается значительно меньшим. Когда речь идёт об электронах, необходимо учитывать и релятивисткие эффекты. При энергии электрона 1-2 МэВ сечение его рассеяния атомом с массой 50 равно (30-60)10^-24см², но число производимых им смещений в десять раз меньше, чем нейтроном с такой же энергией.

Тяжёлые заряженные частицы с массой, сопоставимой с массой атома мишени, создают смещения примерно в таком же количестве, какое создаёт один ПВА при нейтронном облучении. Однако каскады в этом случае невелики и находятся в приповерхностном слое.

 

Таблица 6

Групповые сечения смещений s_см,i по данным ГНЦ РФ ФЭИ

 

Номер группы	Энергия нейтронов	sсм,i для разных материалов, см^-2´10^-24
Al	Cr	Fe	Ni	Zr	Nb
	14,4 - 6,5 МэВ
	6,5 – 4,0
	4,0 – 2,5					976,5
	2,5 –1,4			911,3	924,6	811,8	817,5
	1,4 – 0,8	893,5	640,8	474,9	665,2	709,9	614,7
	0,8 – 0,4	728,9	385,4	343,9	409,3	619,9	513,3
	0,4 – 0,2	451,7	191,1	207,3	323,6	376,6	352,6
	0,2 – 0,1	400,5	226,1	143,4	210,8	205,3	200,8
	100 – 46,5 кэВ	180,1	98,71	103,0	151,0	110,1	73,30
	46,5 – 21,5	116,4	38,58	119,4	91,71	54,13	34,72
	21,5 – 10,0	7,774	19,77	10,95	170,5	25,77	16,70
	10,0 – 4,65	5,782	35,76	21,38	29,21	13,36	8,920
	4,65 – 2,15	2,728	13,88	7,089	20,79	9,914	3,321
	2,15 – 1,0	1,439	2,892	5,977	8,648	2,818	0,332
	1000 – 465 эВ	0,747	0,954	1,818	2,276	0,240
	465 - 215	0,334	0,107	0,075	0,195	1,066	-
	215 - 100	0,141	0,135	0,109	0,288	0,196	-
	100 – 46,5	0,085	0,193	0,160	0,420	0,007	-
	46,5 – 21,5	0,085	0,288	0,237	0,619	0,010	-
	21,5 – 10,0	0,086	0,430	0,348	0,913	0,014	-
	10,0 – 4,65	0,131	0,616	0,509	1,330	0,020	-
	4,65 – 2,15	0,188	0,908	0,749	1,958	0,030	-
	2,15 – 1,0	0,217	1,361	1,101	2,885	0,044	-
	1,0 – 0,465	0,382	1,942	1,604	4,209	0,064	-
	0,465 0,215	-	-	-	-	-	-
	0,215 - 0	1,470	18,30	10,70	23,50	0,260	1,120

 

Таким образом, к существующим в материале дефектам структуры (термические вакансии; дислокации сетки, плотность которых в зависимости от обработки может колебаться от 10⁷-10⁸ до 10¹¹-10¹² см^-2; растворённые атомы; вторичные фазы; границы зёрен и субзёрен и т.д.) облучение добавляет избыточные точечные дефекты, их кластеры, дислокационные петли и поры.

Радиация помимо описанных структурных эффектов способна изменить изотопный и атомный состав материала, заменяя часть атомов того или иного сорта на продукты так называемой трансмутации. Помимо радиоактивных и стабильных изотопов исходных элементов в результате различных реакций появляются новые элементы (трансмутанты). Те и другие создают ряд проблем, влияя на свойства конструкционных материалов и технологию послереакторного обращения с ними. Известны последствия образования гелия в сталях при облучении в реакторах с тепловым спектром, трудности с послереакторными исследованиями образцов практически всех материалов.

Вместе с тем, явление трансмутации лежит в основе ряда реакторных технологий по радиационному легированию чистых металлов и сплавов. Примером этого служит широко распространённая во всём мире технология радиационного легирования кристаллов кремния для решения проблем современной электроники. Такие технологии позволяют обеспечить с высокой точностью не только заданный состав, но и однородность распределения легирующего элементы в больших объёмах.