辐照效应 part

辐照效应和辐照损伤
辐照损伤
碰撞时的能量传递
离位效应是金属材料辐照损伤的源头 什么样的中子能对材料产生辐照损伤？
• 裂变反应释放的中子能谱： 从0.1~10MeV，平均能量为2MeV-快中子； 能量在0.01~0.1eV，为慢中子 • 大于1MeV的快中子在级联碰撞中因产 生离位原子数量多，从而形成的缺陷团 和贫原子区以及它们的存活率也随之增 高
辐照效应和辐照损伤
辐照效应 辐照的间接效应： 材料还会因辐照产生一些间接效应，其中最重要的是 辐照对材料的腐蚀稳定性的影响 • 腐蚀介质的成分由于辐照分解而发生变化；
比如：水的辐射分解--水在反应堆条件下会产生辐射分解： 游离氧、水合电子、氢离子
• 材料表面的保护性氧化膜因辐照出现损伤； • 材料表面参与化学反应的原子还会从辐照射线获得 能量 这些现象往往会加快材料的腐蚀过程
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辐照效应 射线的种类
• 中性粒子：中子、射线（光子） • 带电粒子：粒子（He核）、质子、电子（包括） • 高能原子和离子：裂变产物、一次碰撞反冲原子以及加速的 离子
两种主要的辐射 • 对于结构材料：射线、射线和射线对金属的损 伤可忽略，辐照损伤主要来源于中子的辐照； 射线 对高分子材料有损伤作用，会导致诸如电缆的老化； • 对于燃料材料：其损伤主要来源于裂变产物
对于金属材料来说，这些效应最终主要转换成热量 释放，一般不会给材料结构带来什么变化。 过渡效应所产生的热效应对于 材料的辐照行为具有不可忽视的影响
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辐照效应 • 可逆效应（离位效应）：材料中的原子受到射线辐 照后，有可能被弹击出原来的晶格位臵，产生晶体缺 陷，从而影响材料的性能。 具体来说：中子与材料原子发生碰撞，如果传递 给阵点原子的能量超过某一最低阈能，这个原子就会 离开它在点阵中的正常位臵，在点阵中留下空位。当 这个原子的能量在多次碰撞后不能再引 起另一个阵点原子位移时，该原子会 停留在间隙形成一个间隙原子。 由于可以通过适当温度的退 火来消除这些因辐照产生的晶体缺陷， 故称之为“可逆效应”
辐照效应 Irradiation Effects on structural materials part1
China Institute of Atomic Energy, 102413, Beijing, China
辐照效应和辐照损伤
辐照效应 • 核反应堆结构材料的一个显著特点就是wenku.baidu.com受到各种 射线的辐照，这是它与其它工业材料的最大不同之 处。
例如：普通的58Ni原子受中子辐照后，会放出射线，同时生成 自然界中不存在的59Ni，即： 58Ni(n，)59Ni 59Ni继续受到中子辐照后，引起下列的核嬗变反应： 59Ni(n，)56Fe 放出粒子（氦核），同时生成具有放射性的原子核56Fe
嬗变反应将会使材料的合金元素成分发生变化。由于这种辐照效 应不可能通过热处理方法来消除，故称为不可逆效应
• 一般冶金学从热力学平衡的角度研究材料的变化， 所涉及的能量只有几个乃至几十个eV
• 核能相关的射线能量一般都非常高，中子射线的能 量达到keV~MeV数量级，相差近百万倍 • 这些高能射线在材料中将会产生许多特殊的辐照效 应，对其结构乃至物性产生重大的影响
辐照效应和辐照损伤
辐照效应
辐照损伤是指材料受载能粒子轰击后产生的点缺陷和缺陷团及 其演化的离位峰、层错、位错环、贫原子区和微空洞以及析出 的新相等。这些缺陷引起材料性能的宏观变化，称为辐照效应。
辐照效应和辐照损伤
辐照过程的碰撞问题 • 弹性碰撞和非弹性碰撞： 在弹性碰撞假定中，入射粒子与靶原子相互碰撞后， 不会放出新的粒子，自身也不会被激发或嬗变成其它粒子， 就是说两个碰撞物体的内部状态不会发生任何变化，碰撞 前后两个物体的动能和动量均满足守恒定律。 弹性碰撞主要用于分析原子核碰撞 非弹性碰撞主要用于分析原子碰撞，它不会产生晶体 原子离位性质的辐照损伤
辐照效应和辐照损伤
辐照效应 因此：在反应堆结构材料的合金设计中，必须考虑核 嬗变引起的合金成分变化，以保证合金的性能不会受 到过大的损害，并尽可能减少材料因辐照而诱发产生 的放射性影响 (n，)、(n，p)是材料辐照损伤研究中最重要的两类 核嬗变反应。这两类嬗变反应产生的氢、氦等元素与 辐照缺陷作用在一起，会对材料的结构和性能产生更 加复杂的影响。它们一直是辐照损伤研究中的重要课 题。
铁原子的离位阈能：25eV
结构材料的辐照效应主要是由高能中子引起一些原子离开点阵位 臵而产生的缺陷造成的
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辐照过程的碰撞问题 碰撞过程是一个非常复杂的问题，简化为：
• 二体碰撞：忽略原子之间的相互作用，只考虑直接参与碰撞 的两个物体，即入射粒子和被撞的靶原子，忽略材料中其它 相邻原子对这一碰撞的影响。 • 原子碰撞和原子核碰撞： 原子的尺度等于其轨道电子产生的电子云的尺度（10-8cm）， 原子核的尺度只有10-12cm 入射粒子先与靶原子的电子云碰撞，穿过电子云后才能与靶 原子核碰撞，前者称为原子碰撞（或电子碰撞）；后者称为原 子核碰撞 入射离子和电子带电荷，与靶原子发生原子碰撞—激发 （电离态）；因此入射能量的大部分都消耗于原子碰撞，只有 很少一部分作用在原子核碰撞上。 入射中子本身不带电荷，辐照时主要是原子核碰撞
235 92 235 92 87 U n 147 La 57 35 Br 2n 139 59 94 38
U n Xe Sr 3n
辐照效应和辐照损伤
辐照效应 辐照损伤（irradiation damage)-类型 高能射线对材料产生的辐照损伤效应，按其作用时间 的长短，可分为三类 • 过渡效应（电离效应）：是指反应堆内产生的带电 粒子和快中子撞出的高能离位原子与靶原子轨道上 的电子发生碰撞，而使其脱离轨道的电离现象。
金属材料中的过渡效应是一种暂态效应，而可逆效应则是一种累积效应，它 与射线的辐照剂量有密切的关系
辐照效应和辐照损伤
辐照效应 • 永久效应（嬗变）：中子能量超过MeV量级，就有 可能与靶材料的原子核发生核嬗变，而生成新的原 子核，常用A（x，y）B来表示核嬗变反应，其意 义为原子核A吸收一个入射粒子x后，放出粒子y， 同时原子核A嬗变为原子核B