核電廠材料-2-第四章材料的輻照效應(yīng)

核電廠材料第四章材料的輻照效應(yīng)一般概念中子與材料的反應(yīng)原子位移材料的輻照效應(yīng)概述反應(yīng)堆內(nèi)存在各種類型的強(qiáng)烈核輻射輻射會(huì)使得材料的物理和機(jī)械特性發(fā)生顯著的、破壞性的變化輻射分類α、β、γ、中子、裂變產(chǎn)物β和γ對(duì)金屬材料不會(huì)有永久破壞性作用α和裂變產(chǎn)物的作用主要在燃料內(nèi)中子的效應(yīng)最顯著中子與材料的反應(yīng)中子與原子核的反應(yīng)中子散射：中子散射是反應(yīng)堆中中子慢化過(guò)程的主要核反應(yīng)彈性散射-總動(dòng)能不變（動(dòng)能、動(dòng)量守恒）非彈性散射-總動(dòng)能改變（動(dòng)能不守恒、動(dòng)量守恒）中子吸收：吸收反應(yīng)的結(jié)果是中子損失，它對(duì)反應(yīng)堆內(nèi)的中子平衡有重要影響輻射俘獲（n,γ)反應(yīng)，例：58Fe(n,γ)→59Fe,核轉(zhuǎn)化生成異種原子的反應(yīng)（n,α),(n,p)反應(yīng)

例中子與原子核的反應(yīng)電離效應(yīng)：指反應(yīng)堆中產(chǎn)生的帶電粒子和快中子與材料中的原子相碰撞，產(chǎn)生高能離位原子，高能的離位原子與靶原子軌道上的電子發(fā)生碰撞，使電子跳離軌道，產(chǎn)生電離的現(xiàn)象。從金屬鍵特征可知，電離時(shí)原子外層軌道上丟失的電子，很快就會(huì)被金屬中共有的電子所補(bǔ)充，因此電離效應(yīng)對(duì)金屬材料的性能影響不大。但對(duì)高分子材料會(huì)產(chǎn)生較大影響，因?yàn)殡婋x破壞了它的分子鍵。中子與原子核的反應(yīng)中子與材料反應(yīng)造成原子移位，產(chǎn)生空位和間隙原子；核反應(yīng)生成氦氣。多數(shù)材料發(fā)生中子輻照損傷的主要原因是它們的核與快中子發(fā)生彈性碰撞。彈性碰撞中所傳遞的最大能量Ep可用下面的公式表示：式中：m為中子質(zhì)量；M為被碰撞原子的質(zhì)量；E為中子的初始能量原子位移離位閾能（Ed）使一個(gè)陣點(diǎn)原子離開它在點(diǎn)陣中的正常位置的最低能量。這種位移原子就是中子導(dǎo)致的損傷源。對(duì)金屬材料來(lái)講，離位閾能一般在25-30ev。級(jí)聯(lián)碰撞如果傳遞給原子的能量?jī)H稍高于Ed

，初級(jí)原子將停留在鄰近的穩(wěn)定的間隙位置上形成一個(gè)空位-間隙原子對(duì)（FrankelPair）；如果初級(jí)位移原子獲得能量很大，它就會(huì)與其它基體原子相碰產(chǎn)生二級(jí)、三級(jí)、.....n級(jí)位移原子，形成級(jí)聯(lián)碰撞（cascade）。這一過(guò)程產(chǎn)生的平均位移原子數(shù)近似地等于Ep/2Ed。原子位移快中子的能量是MeV

級(jí)的，所以一個(gè)快中子會(huì)造成上千個(gè)離位原子。在一定的溫度下，缺陷可以通過(guò)擴(kuò)散發(fā)生復(fù)合（annealing）而消失，也可以聚集而形成較大尺寸的缺陷團(tuán)（位錯(cuò)環(huán)，空洞）。一個(gè)快中子會(huì)造成在10nm的長(zhǎng)度上幾百個(gè)位移原子中子與材料產(chǎn)生的核反應(yīng)（n，α），（n，p）生成的氦氣會(huì)遷移到缺陷里，促使形成空洞級(jí)聯(lián)碰撞模型原子位移原子位移次數(shù)（dpa）輻照損傷材料中，每個(gè)原子的位移次數(shù)dpa（displacementsperatom）被定義為輻照損傷的單位位移峰一個(gè)高能粒子所產(chǎn)生的一連串受撞核通常都集中在該粒子初始運(yùn)動(dòng)方向的沿途，這個(gè)影響區(qū)稱為位移峰間接原子位移慢中子不會(huì)直接引起原子位移通過(guò)輻射俘獲反應(yīng)間接產(chǎn)生中子俘獲產(chǎn)生的受激復(fù)合核發(fā)射光子，余核產(chǎn)生反沖，當(dāng)光子能量較高時(shí)，反沖核能量較高，足以使很多原子位移在熱中子反應(yīng)堆中較為顯著燃料的裂變?cè)谌剂现型瑫r(shí)產(chǎn)生大量的裂變產(chǎn)物，有固體裂變產(chǎn)物和大量的裂變氣體。裂變產(chǎn)物是由一個(gè)原子發(fā)生裂變形成多個(gè)原子，會(huì)造成燃料的體積膨脹；裂變過(guò)程中產(chǎn)生大量的惰性裂變氣體（Xe，Kr等）是造成體積膨脹的主要因素。據(jù)估計(jì)，輻照后期，每一立方厘米的二氧化鈾可產(chǎn)生16立方厘米（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）的Kr，Xe氣體。這些氣體在一定的情況下釋放出來(lái)會(huì)造成燃料的腫脹，并且導(dǎo)致燃料的化學(xué)、物理、機(jī)械性能的改變；一些揮發(fā)性裂變產(chǎn)物（I，Cs，Te，Cd）遷移到冷端可造成對(duì)包殼材料的侵蝕。輻照效應(yīng)位移峰:

一個(gè)高能粒子擊出的級(jí)聯(lián)碰撞原子趨向于積聚在粒子運(yùn)動(dòng)的初級(jí)方向上，影響的區(qū)域稱為位移峰，其長(zhǎng)度約10nm。被擊出的初級(jí)位移原子將沿垂直于初級(jí)原子徑跡方向，繼續(xù)運(yùn)動(dòng)幾個(gè)原子的距離，然后停留在間隙位置上，形成一個(gè)間隙原子殼。這個(gè)極小體積所獲得的能量在短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，并使間隙原子殼發(fā)生熔化。在此熔融區(qū)內(nèi)原子重新排列，由于接著而來(lái)的迅速冷卻使原子凍結(jié)在畸變后的位置上，出現(xiàn)了包含大量空位和間隙原子的離位峰。熱峰:

一個(gè)快中子會(huì)經(jīng)歷幾次彈性碰撞，速度下降到不可能再造成原子位移時(shí)，剩余的能量會(huì)以振動(dòng)的形式消散在一個(gè)很小的范圍內(nèi)，形成一個(gè)熱峰。局部溫度可達(dá)幾千度。離位峰模型輻照效應(yīng)金屬點(diǎn)陣中存在大量的空位和間隙原子會(huì)大大增加金屬的硬度，降低它的延性。許多材料的體積會(huì)明顯增加（如石墨、金屬鈾）。在各向異性的晶體中會(huì)發(fā)生定向生長(zhǎng)和嚴(yán)重畸變。熱峰過(guò)后留下永久殘余變形。因此熱峰的產(chǎn)生也將導(dǎo)致材料物理、機(jī)械性能變化。實(shí)際上，熱峰是可以單獨(dú)發(fā)生的，因?yàn)槿肷淞Ｗ訉a(chǎn)生一系列的PKA，其中一些能量在離位閾能附近可以形成熱峰；而離位峰常常是與熱峰結(jié)合在一起的，因?yàn)殡x位峰內(nèi)包含了大量能量在離位閾能附近的反沖原子，因此離位峰本身就含有熱峰。材料的輻照效應(yīng)一般規(guī)律性能改變輻照腫脹氦脆輻照生長(zhǎng)輻照誘導(dǎo)放射性材料的輻照效應(yīng)1）性能改變輻照導(dǎo)致材料的屈服強(qiáng)度（σ0.2或σs）、抗拉強(qiáng)度（σb）、韌脆轉(zhuǎn)變溫度（DBTT或NDT）、楊氏模量（E）及高溫蠕變速率（ε）增加；而導(dǎo)致塑性指標(biāo)（δ，ψ）、密度（D）、沖擊功（Ak）、斷裂韌性（KⅠc，JⅠc）及熱導(dǎo)率（λ）減小。材料的輻照效應(yīng)2）輻照腫脹

輻照導(dǎo)致材料中產(chǎn)生大量的缺陷，缺陷聚集后產(chǎn)生空位位錯(cuò)環(huán)和間隙位錯(cuò)環(huán)?？瘴晃诲e(cuò)環(huán)不易坍塌，因?yàn)楹朔磻?yīng)產(chǎn)生的氦氣易聚集在空位位錯(cuò)環(huán)內(nèi)，而使其形成三維的空洞造成體積膨脹；間隙位錯(cuò)環(huán)坍塌后在原晶體中多了一個(gè)原子面，使體積增加。因此輻照導(dǎo)致材料的腫脹。輻照腫脹與溫度有關(guān)。如不銹鋼大約在0.3-0.5Tm下輻照腫脹量最大（當(dāng)中子通量達(dá)1027n/m2時(shí)，腫脹可達(dá)15%）。低于此溫度，空位、間隙原子可動(dòng)性不大，被凍結(jié)在材料中，高于此溫度，缺陷復(fù)合的機(jī)會(huì)增加，腫脹量就會(huì)減少。材料的輻照效應(yīng)3）氦脆由于（n，α）反應(yīng)產(chǎn)生大量的氦氣，一旦氦泡在晶界聚集，就會(huì)造成材料的脆化，形成沿晶斷裂。4）輻照生長(zhǎng)一些材料在中子輻照下表現(xiàn)為定向的伸長(zhǎng)和縮短，而密度基本不變，這種現(xiàn)象稱為輻照生長(zhǎng)，如鋯在輻照下呈現(xiàn)a軸生長(zhǎng)，c軸縮短的現(xiàn)象，宏觀上可觀察到包殼管變長(zhǎng)。鋯輻照生長(zhǎng)材料的輻照效應(yīng)

5）輻照誘