核电厂材料_2_第四章材料的辐照效应

原子位移
• 快中子的能量是MeV 级的，所以一个快中子会造 成上千个离位原子。在一定的温度下，缺陷可以 通过扩散发生复合（annealing）而消失，也可以 聚集而形成较大尺寸的缺陷团（位错环， 空洞）。 一个快中子会造成在10nm的长度上几百个位移原 子
• 中子与材料产生的核反应（n，α），（n，p）生 成的氦气会迁移到缺陷里，促使形成空洞
材料的辐照效应
• 2）辐照肿胀 辐照导致材料中产生大量的缺陷，缺陷聚集后产生空
位位错环和间隙位错环。空位位错环不易坍塌，因为核反 应产生的氦气易聚集在空位位错环内，而使其形成三维的 空洞造成体积膨胀；间隙位错环坍塌后在原晶体中多了一 个原子面，使体积增加。因此辐照导致材料的肿胀。
• 辐照肿胀与温度有关。如不锈钢大约在0.3-0.5Tm下辐 照肿胀量最大（当中子通量达1027n/m2时，肿胀可达 15%）。 低于此温度，空位、间隙原子可动性不大，被 冻结在材料中，高于此温度，缺陷复合的机会增加，肿胀 量就会减少。
核电厂材料
第四章 材料的辐照效应
• 一般概念 • 中子与材料的反应 • 原子位移 • 材料的辐照效应
概述
• 反应堆内存在各种类型的强烈核辐射 • 辐射会使得材料的物理和机械特性发生显
著的、破坏性的变化 • 辐射分类
– α、β、γ、中子、裂变产物 – β和γ对金属材料不会有永久破坏性作用 – α和裂变产物的作用主要在燃料内 – 中子的效应最显著
5）辐照诱导放射性 材料对中子的吸收会导致产生放射性核
素。在辐照下产生的长寿命同位素，会增 加废物处理的负担并给设备维修带来困难。 如Co59，通过（n，）反应产生Co60，而 Co60是长寿命同位素，放射性很强，很难 处理。所以核级材料中要严格控制钴的含 量。
第四章结束
• 热峰: 一个快中子会经历几次弹性碰撞，速度下降到不可 能再造成原子位移时，剩余的能量会以振动的形式消散在 一个很小的范围内，形成一个热峰。局部温度可达几千度。
离位峰模型
辐照效应
• 金属点阵中存在大量的空位和间隙原子会大大增 加金属的硬度， 降低它的延性。许多材料的体积 会明显增加（如石墨、金属铀）。在各向异性的 晶体中会发生定向生长和严重畸变。
核产生反冲，当光子能量较高时，反冲核 能量较高，足以使很多原子位移 • 在热中子反应堆中较为显著
燃料的裂变
• 在燃料中同时产生大量的裂变产物，有固体裂变 产物和大量的裂变气体。裂变产物是由一个原子 发生裂变形成多个原子，会造成燃料的体积膨胀； 裂变过程中产生大量的惰性裂变气体（Xe，Kr等） 是造成体积膨胀的主要因素。据估计，辐照后期， 每一立方厘米的二氧化铀可产生16立方厘米（标 准状态）的Kr， Xe气体。这些气体在一定的情况 下释放出来会造成燃料的肿胀，并且导致燃料的 化学、物理、机械性能的改变；一些挥发性裂变 产物（I，Cs，Te，Cd）迁移到冷端可造成对包 壳材料的侵蚀。
– 核转化生成异种原子的反应（n, α), (n, p)反应
例
10 5
B
n
37
Li 24
He
16 6
O
n
176
N
11
H
中子与原子核的反应
• 电离效应：指反应堆中产生的带电粒子和快中子 与材料中的原子相碰撞，产生高能离位原子，高 能的离位原子与靶原子轨道上的电子发生碰撞， 使电子跳离轨道，产生电离的现象。
• 从金属键特征可知，电离时原子外层轨道上丢失 的电子，很快就会被金属中共有的电子所补充， 因此电离效应对金属材料的性能影响不大。但对 高分子材料会产生较大影响，因为电离破坏了它 的分子键。
中子与原子核的反应
• 中子与材料反应造成原子移位，产生空位和间隙 原子；核反应生成氦气。
• 多数材料发生中子辐照损伤的主要原因是它们的 核与快中子发生弹性碰撞。弹性碰撞中所传递的 最大能量Ep可用下面的公式表示：
材料的辐照效应一般规律
• 性能改变 • 辐照肿胀 • 氦脆 • 辐照生长 • 辐照诱导放射性
材料的辐照效应
• 1）性能改变 辐照导致材料的屈服强度（σ0.2或σs）、
抗拉强度 （σb）、韧脆转变温度（DBTT或 NDT）、杨氏模量（E）及高温蠕变速率 （ε）增加；而导致塑性指标（δ，ψ）、密 度（D）、冲击功（Ak）、断裂韧性（KⅠc， JⅠc）及热导率（λ）减小。
Ep 4mME/(M m)2
• 式中：m为中子质量；M为被碰撞原子的质量；E 为中子的初始能量
原子位移
• 离位阈能（Ed ）
– 使一个阵点原子离开它在点阵中的正常位置的最低能 量。这种位移原子就是中子导致的损伤源。对金属材 料来讲，离位阈能一般在 25-30ev。
• 级联碰撞
– 如果传递给原子的能量仅稍高于Ed ，初级原子将停留 在邻近的稳定的间隙位置上形成一个空位-间隙原子对 （Frankel Pair）；如果初级位移原子获得能量很大， 它就会与其它基体原子相碰产生二级、三级、.....n级位 移原子，形成级联碰撞（cascade）。这一过程产生的 平均位移原子数近似地等于Ep/2Ed 。
辐照效应
• 位移峰: 一个高能粒子击出的级联碰撞原子趋向于积聚在 粒子运动的初级方向上，影响的区域称为位移峰，其长度 约10nm。被击出的初级位移原子将沿垂直于初级原子径 迹方向，继续运动几个原子的距离，然后停留在间隙位置 上，形成一个间隙原子壳。
这个极小体积所获得的能量在短时间内转变为热能，并 使间隙原子壳发生熔化。在此熔融区内原子重新排列，由 于接着而来的迅速冷却使原子冻结在畸变后的位置上，出 现了包含大量空位和间隙原子的离位峰。
• 热峰过后留下永久残余变形。因此热峰的产生也 将导致材料物理、机械性能变化。
• 实际上，热峰是可以单独发生的，因为入射粒子 将产生一系列的PKA，其中一些能量在离位阈能 附近可以形成热峰；而离位峰常常是与热峰结合 在一起的，因为离位峰内包含了大量能量在离位 阈能附近的反冲原子，因此离位峰本身就含有热 峰。
中子与材料的反应
中子与原子核的反应
• 中子散射：中子散射是反应堆中中子慢化过程的 主要核反应
– 弹性散射-总动能不变（动能、动量守恒） – 非弹性散射-总动能改变（动能不守恒、动量守恒）
• 中子吸收：吸收反应的结果是中子损失，它对反 应堆内的中子平衡有重要影响
– 辐射俘获（n, γ)反应，例：58Fe(n, γ)→59Fe,
级联碰撞模型
原子位移
• 原子位移次数（dpa）
– 辐照损伤材料中，每个原子的位移次数dpa （displacements per atom）被定义为辐照损 伤的单位
• 移峰
– 一个高能粒子所产生的一连串受撞核通常都集 中在该粒子初始运动方向的沿途，这个影响区 称为位移峰
间接原子位移
• 慢中子不会直接引起原子位移 • 通过辐射俘获反应间接产生 • 中子俘获产生的受激复合核发射光子，余
材料的辐照效应
3）氦脆 由于（n，α）反应产生大量的氦气，一旦氦泡在 晶界聚集，就会造成材料的脆化，形成沿晶断裂。
4）辐照生长 一些材料在中子辐照下表现为定向的伸长和缩
短，而密度基本不变，这种现象称为辐照生长， 如锆在辐照下呈现a轴生长，c轴缩短的现象，宏 观上可观察到包壳管变长。
锆辐照生长
材料的辐照效应