Учитываются также энергия отдачи активируемых атомов и вклада g-квантов через фотоэффект, эффект Комптона и эффект образования пар.

Лекция 4. Радиационное воздействие на материалы

Параметры облучения в ядерных реакторах

Радиационные повреждения в КМ

Диффузия и отжиг радиационных дефектов

Влияние радиации на упрочнение и охрупчивание

Размерные изменения при облучении без нагружения

ПРОБЛЕМЫ, ОБНАРУЖЕННЫЕ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ КМ

● Распухание и другие размерные изменения в топливе

● Изменения размеров, выделение запасенной энергии в графите

● Активация воды, радиолиз

● Конструкционные материалы:

- радиационное упрочнение, увеличение твердости, снижение пластичности

- высокотемпературное радиационное охрупчивание

- радиационная ползучесть

- снижение длительной прочности и долговечности

- распухание

- радиационный рост

- повышение температуры хрупко-вязкого перехода

- усиление коррозии

- усиление КРН, появление ЗГР

- ухудшение теплопроводности

- изменение электрических и магнитных свойств

- изменение структурно-фазового состояния

Параметры облучения в ядерных реакторах

- Источники излучений

· реакции деления трансурановых элементов семейства актиноидов – U²³⁵, U²³⁸, Pu²³⁹ (осколки, мгновенные нейтроны по 2,5 на атом, g-кванты)

· ядерные реакции в осколках (b-частицы, запаздывающие нейтроны, g-кванты)

· ядерные реакции в элементах конструкции реактора (b-частицы, g-кванты)

- Характеристики потока нейтронов

· энергетический спектр нейтронов деления в вероятностном выражении

S(E) = 0,484sh(2E)^1/2exp(-E)

Наиболее вероятная энергия Е нейтронов деления – 0,6-0,8 МэВ, средняя – 2 МэВ, максимальная – 18 МэВ. При каждом делении выделяется около 200 МэВ тепловой энергии.

· тепловые нейтроны (Е до 0,215 эВ), быстрые (Е>0,1 МэВ) и промежуточные нейтроны

· энергетический спектр нейтронов в активной зоне разных реакторов

· многогрупповое представление спектра (4, 26 и более групп)

· плотность потока Ф и флюенс нейтронов F = Фt

· скорость К и доза Kt радиационного повреждения материала

 

Реактор	Ф п, н/см2с	Ф б.н., н/см2с	К, сна/ч	qG, Вт/г
ВВЭР- 1000	(3,1–3,7)1014	(1,6–1,9)1014	(4,0–4,7)10-4	16-20*
ВВЭР-440	2,4×1014	1,2×1014	3,1×10-4	12*
БОР-60	(1–3)1015	(0,6–2)1015	(1–3) 10-3	2-5
СМ	1014– 4×1015	1013– 2×1015	2×10-5–5×10-3	1,3–40
РБТ-6	(0,5–1,4)1014	(0,3–8)1013	4×10-5–10-4	0,5–1,4

- Характеристики потока g-квантов

· энергетическое распределение при делении

S(E_g) = 14,0 exp(-1,1E_g)

· спектр (5-7 групп)

· плотность потока порядка 5×10¹⁵ см^-2

· энерговыделение q_G в основном вследствие поглощения g-квантов

- Источники β и α излучения

· осколки деления

· ионизированные элементы

Радиационные повреждения в КМ

· При реакторном облучении повреждения в структуре КМ создают, в основном, быстрые нейтроны

· Начальным актом их взаимодействия с веществом является образование первично выбитых атомов (ПВА)

· Энергия ПВА впоследствии реализуется в так называемом радиационном каскаде.

· Этапы развитие каскада:

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.

2 этап, релаксационный, длительностью в ~ 0,5 пс с формированием поля напряжений вокруг точечных дефектов. Пары Френкеля в зоне неустойчивости мгновенно рекомбинируют. Область каскада сохраняет высокую температуру, которая может превысить Т_m.

Этап (несколько пикосекунд) - остывание каскада.

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).

· Связь ПВА с числом смещений и замещений.

- Расчёт концентрации ПВА

С_ПВА,i = ПВА/N = Ф_its_р,i,

где s_р,i - микроскопическое сечение рассеяния нейтрона i-энергетической группы со смещением атома решётки, равное обычно (1-10)10^-24 см^-2, N – число атомов в 1 см³

s_рi – из модели взаимодействия шаров с передачей энергии нейтрона атому в пределах

от 0 до 4м₀м_а/(м_{0 +} м_а)²

и использования энергии смещения E_d (20-90 эВ).

Элемент

Be

C

Al

Ni

V

Cr

Mn

Ni

Cu

Zr

Ti

Mo

W

Ed, эВ

 

- Расчёт концентрации смещений

С_сна,i = С_ПВА,I ∙n_i = Ф_its_р,in_i

где n_I – каскадная функция, равная числу смещений, произведенным одним ПВА.

Энергия ПВА расходуется на образование смещений путем упругих столкновений и на ионизацию атомов.

Машинное моделирование каскадов выявило ряд анизотропных эффектов передачи энергии: каналирование, фокусировка, динамические кроудионы.

Каналирование - глубокое проникновение отдельных ПВА между плотными плоскостями атомов без замещений с образованием в конце пары Френкеля.

Учитываются также энергия отдачи активируемых атомов и вклада g-квантов через фотоэффект, эффект Комптона и эффект образования пар.

В результате 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.

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.

Существует мнение, скорость образования смещений является более представительной характеристикой воздействия радиации на ряд свойств КМ (прежде всего, механических). Эта характеристика именуется скоростью радиационного повреждения – К. Интегральное воздействие отражает доза радиационного повреждения – Kt.

 

Групповые сечения смещений s_см,i по данным ГНЦ РФ ФЭИ

 

№	Энергия нейтронов	sсм,i, 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

- Расчёт концентрации замещений

С_зам,i = (3-4) С_сна,i

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: