核電廠材料-2-第四章材料的輻照效應

核電廠材料第四章材料的輻照效應一般概念中子與材料的反應原子位移材料的輻照效應概述反應堆內存在各種類型的強烈核輻射輻射會使得材料的物理和機械特性發(fā)生顯著的、破壞性的變化輻射分類α、β、γ、中子、裂變產物β和γ對金屬材料不會有永久破壞性作用α和裂變產物的作用主要在燃料內中子的效應最顯著中子與材料的反應中子與原子核的反應中子散射：中子散射是反應堆中中子慢化過程的主要核反應彈性散射-總動能不變（動能、動量守恒）非彈性散射-總動能改變（動能不守恒、動量守恒）中子吸收：吸收反應的結果是中子損失，它對反應堆內的中子平衡有重要影響輻射俘獲（n,γ)反應，例：58Fe(n,γ)→59Fe,核轉化生成異種原子的反應（n,α),(n,p)反應

例中子與原子核的反應電離效應：指反應堆中產生的帶電粒子和快中子與材料中的原子相碰撞，產生高能離位原子，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，產生電離的現(xiàn)象。從金屬鍵特征可知，電離時原子外層軌道上丟失的電子，很快就會被金屬中共有的電子所補充，因此電離效應對金屬材料的性能影響不大。但對高分子材料會產生較大影響，因為電離破壞了它的分子鍵。中子與原子核的反應中子與材料反應造成原子移位，產生空位和間隙原子；核反應生成氦氣。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為中子質量；M為被碰撞原子的質量；E為中子的初始能量原子位移離位閾能（Ed）使一個陣點原子離開它在點陣中的正常位置的最低能量。這種位移原子就是中子導致的損傷源。對金屬材料來講，離位閾能一般在25-30ev。級聯(lián)碰撞如果傳遞給原子的能量僅稍高于Ed

，初級原子將停留在鄰近的穩(wěn)定的間隙位置上形成一個空位-間隙原子對（FrankelPair）；如果初級位移原子獲得能量很大，它就會與其它基體原子相碰產生二級、三級、.....n級位移原子，形成級聯(lián)碰撞（cascade）。這一過程產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

級的，所以一個快中子會造成上千個離位原子。在一定的溫度下，缺陷可以通過擴散發(fā)生復合（annealing）而消失，也可以聚集而形成較大尺寸的缺陷團（位錯環(huán)，空洞）。一個快中子會造成在10nm的長度上幾百個位移原子中子與材料產生的核反應（n，α），（n，p）生成的氦氣會遷移到缺陷里，促使形成空洞級聯(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高能粒子所產生的一連串受撞核通常都集中在該粒子初始運動方向的沿途，這個影響區(qū)稱為位移峰間接原子位移慢中子不會直接引起原子位移通過輻射俘獲反應間接產生中子俘獲產生的受激復合核發(fā)射光子，余核產生反沖，當光子能量較高時，反沖核能量較高，足以使很多原子位移在熱中子反應堆中較為顯著燃料的裂變在燃料中同時產生大量的裂變產物，有固體裂變產物和大量的裂變氣體。裂變產物是由一個原子發(fā)生裂變形成多個原子，會造成燃料的體積膨脹；裂變過程中產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，輻照后期，每一立方厘米的二氧化鈾可產生16立方厘米（標準狀態(tài)）的Kr，Xe氣體。這些氣體在一定的情況下釋放出來會造成燃料的腫脹，并且導致燃料的化學、物理、機械性能的改變；一些揮發(fā)性裂變產物（I，Cs，Te，Cd）遷移到冷端可造成對包殼材料的侵蝕。輻照效應位移峰:

一個高能粒子擊出的級聯(lián)碰撞原子趨向于積聚在粒子運動的初級方向上，影響的區(qū)域稱為位移峰，其長度約10nm。被擊出的初級位移原子將沿垂直于初級原子徑跡方向，繼續(xù)運動幾個原子的距離，然后停留在間隙位置上，形成一個間隙原子殼。這個極小體積所獲得的能量在短時間內轉變?yōu)闊崮?，并使間隙原子殼發(fā)生熔化。在此熔融區(qū)內原子重新排列，由于接著而來的迅速冷卻使原子凍結在畸變后的位置上，出現(xiàn)了包含大量空位和間隙原子的離位峰。熱峰:

一個快中子會經(jīng)歷幾次彈性碰撞，速度下降到不可能再造成原子位移時，剩余的能量會以振動的形式消散在一個很小的范圍內，形成一個熱峰。局部溫度可達幾千度。離位峰模型輻照效應金屬點陣中存在大量的空位和間隙原子會大大增加金屬的硬度，降低它的延性。許多材料的體積會明顯增加（如石墨、金屬鈾）。在各向異性的晶體中會發(fā)生定向生長和嚴重畸變。熱峰過后留下永久殘余變形。因此熱峰的產生也將導致材料物理、機械性能變化。實際上，熱峰是可以單獨發(fā)生的，因為入射粒子將產生一系列的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合在一起的，因為離位峰內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。材料的輻照效應一般規(guī)律性能改變輻照腫脹氦脆輻照生長輻照誘導放射性材料的輻照效應1）性能改變輻照導致材料的屈服強度（σ0.2或σs）、抗拉強度（σb）、韌脆轉變溫度（DBTT或NDT）、楊氏模量（E）及高溫蠕變速率（ε）增加；而導致塑性指標（δ，ψ）、密度（D）、沖擊功（Ak）、斷裂韌性（KⅠc，JⅠc）及熱導率（λ）減小。材料的輻照效應2）輻照腫脹

輻照導致材料中產生大量的缺陷，缺陷聚集后產生空位位錯環(huán)和間隙位錯環(huán)。空位位錯環(huán)不易坍塌，因為核反應產生的氦氣易聚集在空位位錯環(huán)內，而使其形成三維的空洞造成體積膨脹；間隙位錯環(huán)坍塌后在原晶體中多了一個原子面，使體積增加。因此輻照導致材料的腫脹。輻照腫脹與溫度有關。如不銹鋼大約在0.3-0.5Tm下輻照腫脹量最大（當中子通量達1027n/m2時，腫脹可達15%）。低于此溫度，空位、間隙原子可動性不大，被凍結在材料中，高于此溫度，缺陷復合的機會增加，腫脹量就會減少。材料的輻照效應3）氦脆由于（n，α）反應產生大量的氦氣，一旦氦泡在晶界聚集，就會造成材料的脆化，形成沿晶斷裂。4）輻照生長一些材料在中子輻照下表現(xiàn)為定向的伸長和縮短，而密度基本不變，這種現(xiàn)象稱為輻照生長，如鋯在輻照下呈現(xiàn)a軸生長，c軸縮短的現(xiàn)象，宏觀上可觀察到包殼管變長。鋯輻照生長材料的輻照效應

5）輻照誘