核材料辐照效应
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
核材料辐照效应
第四章
主讲：黄群英
FDS 团队
中国科学技术大学 核科学技术学院 中国科学院 等离子体物理研究所
E-mail: qyhuang@
裂变堆结构与材料
堆芯 堆 内构件 控制
棒 反射层 压力容器
裂变堆原理图
压水堆结构图
聚变堆结构与材料
严酷 服 役环境
》 离位损伤的计算机模拟
模拟和定量计算材料中的级联碰撞和离位原子在材料中的分布形态。
右图为约500个原子的铜单晶点 阵原子的受撞模拟：
图a：级联碰撞过程 图b：缺陷（离位原子和空位） 的分布
注意，本章中离位损伤的计算均未考虑缺陷的回复（如间隙原子与邻近空位的复合）
离位峰和热峰
》 离位峰
Brinkman提出描绘级联碰撞结束时的Frenkel缺 陷分布模型：PKA 的高密度碰撞会驱使沿途碰撞 链上的原子向外运动，因此在级联碰 撞区域中心 附近的缺陷主要是空位，而间隙原子则分布在中 心空位 区的周边外围。这种空位和间隙原子相互 分离的现象称为离位峰。
第一节 辐照原理
1 碰撞与离位 碰撞Hale Waihona Puke 能量传递离位阈能和入射粒子阈能
2 级联与损伤函数 3 离位损伤剂量 离位原子数 计
算机模拟
4 微观结构 离位峰与热峰 沟道
效应和聚焦碰撞 Seeger对离位峰 的修正
碰撞与能量传递
先不考虑晶体效应和原子间的作用势，仅从经 典力学计算。设质量为M1和能量为E0的中子 与质量为 M2的靶原子发生碰撞。
•原子将脱离点阵节点而留下空位，离位原子而不能跳回原位时， 停留在品格间隙之中形成 间隙原子。间隙原子和留下的空位合称 为Frenkel对缺陷，这种损伤类型成为离位。
晶体材料结构
原子堆积图
晶格
晶胞
晶体材料的辐照损伤
单晶在辐照下的缺陷形成过程（MD模拟）
内容
第一节 辐照原理 第二节 材料辐照损伤
离位阈能和入射粒子阈能
》 离位阈能（Ed） 离位阈能是被撞原子离开其平衡位置所需的最低临界能量。 除贵金属外，常用金属
的离位阈能约为25eV 。
如果T < Ed ，则被撞原子受周围原子的约束而不能离开所处的晶格点阵位 置，只能以热振动方式消失所 吸收的能量；
如果T > Ed ，则被撞原子有可能克服周围原子的阻碍作用，离开自己所处的 点阵平衡位，留下一个空位， 并有可能在离空位一定距离(与晶 体方向有关)的原子间隙处停留下来，成为间隙原子，并与原空 位共 同形成Frenkel对缺陷。
Brinkman离位峰 热峰周围的温度变化
沟道效应与聚焦碰撞
》 沟道效应
离位原子沿材料中点阵密排晶向围成的间隙腔入 射时，碰撞距离比 较长的现象。 沟道效应易出现在级联碰撞的高能阶段。 特点是不产生大量点缺陷。
模型 应用最广的模型，从撞出能量与撞出概率的关系中建立的。
K-P模型有如下许多简化假定： (1) 所有串级碰撞都是同类原子刚性球的二体碰撞； (2) 只计两原子间的作用势，不考虑晶格影响； (3) PKA撞出晶格原子的离位概率Pd(T)与被击原子接受的能量T的关系用单值 阈能的阶跃函数表示； (4) PKA能量大于电子激发能量Ec(Ei)时，主要产生非弹性碰撞的电子激发； PKA能量小于电子激发能量Ec(Ei)时，主要产生弹性碰撞的离位效应。
》 热峰
热峰与离位峰相伴而生，即局部微区温度急升骤 降的现象：在间隙 原子密集处就会使该区能量偏 高，导致该微区的温度骤然升到很高 温度、甚至 达到熔点，但因它的体积很小，很快又被周围未 受扰动 的原子冷却下来，从而形成热峰。 因间隙原子分布的随机性。相应而生的热峰温度 高低也不同，其特 点是：热峰温度越高，存在的 时间和热峰区域就越短和越小
化性能
• 》 辐照性能
辐照效应
•中子等辐射粒子会撞击材料原子产生缺陷，其核反应会产 生嬗变元素，这 些晶格缺陷和嬗变元素所引起的材料宏观 性能变化称之为辐照效应，其性能 下降，称为辐照损伤。
•》 电离（过渡效应）
•电离效应对金属性能影响不大
•》 嬗变（永久效应）
•材料被撞原子发生核反应。
•》 离位（可逆效应）
》正碰
根据弹性碰撞中能量和动量的守恒方程，可 求出中子传给靶原子的最大能量（二体迎头 正碰撞时） 为
（μ：中子能量损失系数）
》随机碰撞 将直角坐标换成质心系(二体质心同速运动)坐标参数后，代入能量、动量守 恒方程，即
可解出随机碰撞时的能量传递为
（θ：质心散射角）
靶核质量M2愈小，μ愈大，即传递给靶原子的能量就越多； 靶核质量M2愈大，μ愈小，即传递给靶原 子的能量就愈少。
金兴-皮斯模型的损伤函数结果
将PKA的能量E分区域来解此积分式，可得如下损伤函数结果
v (⎧ ⎪ ⎪ ⎨E0Ed)<<=EE<0<2EEd d
⎪2Ed < E < Ei ⎩ ⎪E > Ei
v (E )=1 v(E )=E 2Ed v(E )=Ei 2Ed
几种材料在中子辐照下的ν ¯值（对不同能量的PKA所求出的ν (E)的平均值)
离位损伤剂量（Dose）
➢离位原子数（Nd）、原子位移概率（Displacement Per Atom, DPA） 单位体积材料被中子辐照后产生的
离位原子总数为
Nd = Φ ∗ t ∗ n0 ∗σ d ∗ν
DPA = Nd / n0
中子通量密度 辐照时间 材料单位体积原子数 靶核散射截面 损伤函数
》 入射粒子阈能
入射粒子阈能指使晶格原子离位的入射粒子所具有的最低能量。
级联与损伤函数
➢级联碰撞 (Cascade Process) 最初被撞离位原子(PKA)的能量远大于离位阈能，可连续地和点阵中其他原
子发生碰撞，构成二次、三次以至更多次生离位原子，称为级联碰撞。
》 损伤函数ν (E) 一个PKA 最终撞出的离位原子数目(Frenkel对缺陷数)，称为损伤函数。 金兴-皮斯(Kinchin-Pease, K-P)
核材料性能要求
• 》 核燃料 • 》 结构材料 • 》 堆内构件材料 • 》 压力容器材料 • 》 回路材料 • 》 蒸汽发生器材料 • 》 控制材料与冷却剂材料 • 》 慢化材料和反射材料 • 》 屏蔽材料与安全壳材料
•》
常规性能 物
理性能 力学性能 化学性能
工艺性能 经济性能
• 》 核性能
• 中子吸收与慢化性能 中子活
第四章
主讲：黄群英
FDS 团队
中国科学技术大学 核科学技术学院 中国科学院 等离子体物理研究所
E-mail: qyhuang@
裂变堆结构与材料
堆芯 堆 内构件 控制
棒 反射层 压力容器
裂变堆原理图
压水堆结构图
聚变堆结构与材料
严酷 服 役环境
》 离位损伤的计算机模拟
模拟和定量计算材料中的级联碰撞和离位原子在材料中的分布形态。
右图为约500个原子的铜单晶点 阵原子的受撞模拟：
图a：级联碰撞过程 图b：缺陷（离位原子和空位） 的分布
注意，本章中离位损伤的计算均未考虑缺陷的回复（如间隙原子与邻近空位的复合）
离位峰和热峰
》 离位峰
Brinkman提出描绘级联碰撞结束时的Frenkel缺 陷分布模型：PKA 的高密度碰撞会驱使沿途碰撞 链上的原子向外运动，因此在级联碰 撞区域中心 附近的缺陷主要是空位，而间隙原子则分布在中 心空位 区的周边外围。这种空位和间隙原子相互 分离的现象称为离位峰。
第一节 辐照原理
1 碰撞与离位 碰撞Hale Waihona Puke 能量传递离位阈能和入射粒子阈能
2 级联与损伤函数 3 离位损伤剂量 离位原子数 计
算机模拟
4 微观结构 离位峰与热峰 沟道
效应和聚焦碰撞 Seeger对离位峰 的修正
碰撞与能量传递
先不考虑晶体效应和原子间的作用势，仅从经 典力学计算。设质量为M1和能量为E0的中子 与质量为 M2的靶原子发生碰撞。
•原子将脱离点阵节点而留下空位，离位原子而不能跳回原位时， 停留在品格间隙之中形成 间隙原子。间隙原子和留下的空位合称 为Frenkel对缺陷，这种损伤类型成为离位。
晶体材料结构
原子堆积图
晶格
晶胞
晶体材料的辐照损伤
单晶在辐照下的缺陷形成过程（MD模拟）
内容
第一节 辐照原理 第二节 材料辐照损伤
离位阈能和入射粒子阈能
》 离位阈能（Ed） 离位阈能是被撞原子离开其平衡位置所需的最低临界能量。 除贵金属外，常用金属
的离位阈能约为25eV 。
如果T < Ed ，则被撞原子受周围原子的约束而不能离开所处的晶格点阵位 置，只能以热振动方式消失所 吸收的能量；
如果T > Ed ，则被撞原子有可能克服周围原子的阻碍作用，离开自己所处的 点阵平衡位，留下一个空位， 并有可能在离空位一定距离(与晶 体方向有关)的原子间隙处停留下来，成为间隙原子，并与原空 位共 同形成Frenkel对缺陷。
Brinkman离位峰 热峰周围的温度变化
沟道效应与聚焦碰撞
》 沟道效应
离位原子沿材料中点阵密排晶向围成的间隙腔入 射时，碰撞距离比 较长的现象。 沟道效应易出现在级联碰撞的高能阶段。 特点是不产生大量点缺陷。
模型 应用最广的模型，从撞出能量与撞出概率的关系中建立的。
K-P模型有如下许多简化假定： (1) 所有串级碰撞都是同类原子刚性球的二体碰撞； (2) 只计两原子间的作用势，不考虑晶格影响； (3) PKA撞出晶格原子的离位概率Pd(T)与被击原子接受的能量T的关系用单值 阈能的阶跃函数表示； (4) PKA能量大于电子激发能量Ec(Ei)时，主要产生非弹性碰撞的电子激发； PKA能量小于电子激发能量Ec(Ei)时，主要产生弹性碰撞的离位效应。
》 热峰
热峰与离位峰相伴而生，即局部微区温度急升骤 降的现象：在间隙 原子密集处就会使该区能量偏 高，导致该微区的温度骤然升到很高 温度、甚至 达到熔点，但因它的体积很小，很快又被周围未 受扰动 的原子冷却下来，从而形成热峰。 因间隙原子分布的随机性。相应而生的热峰温度 高低也不同，其特 点是：热峰温度越高，存在的 时间和热峰区域就越短和越小
化性能
• 》 辐照性能
辐照效应
•中子等辐射粒子会撞击材料原子产生缺陷，其核反应会产 生嬗变元素，这 些晶格缺陷和嬗变元素所引起的材料宏观 性能变化称之为辐照效应，其性能 下降，称为辐照损伤。
•》 电离（过渡效应）
•电离效应对金属性能影响不大
•》 嬗变（永久效应）
•材料被撞原子发生核反应。
•》 离位（可逆效应）
》正碰
根据弹性碰撞中能量和动量的守恒方程，可 求出中子传给靶原子的最大能量（二体迎头 正碰撞时） 为
（μ：中子能量损失系数）
》随机碰撞 将直角坐标换成质心系(二体质心同速运动)坐标参数后，代入能量、动量守 恒方程，即
可解出随机碰撞时的能量传递为
（θ：质心散射角）
靶核质量M2愈小，μ愈大，即传递给靶原子的能量就越多； 靶核质量M2愈大，μ愈小，即传递给靶原 子的能量就愈少。
金兴-皮斯模型的损伤函数结果
将PKA的能量E分区域来解此积分式，可得如下损伤函数结果
v (⎧ ⎪ ⎪ ⎨E0Ed)<<=EE<0<2EEd d
⎪2Ed < E < Ei ⎩ ⎪E > Ei
v (E )=1 v(E )=E 2Ed v(E )=Ei 2Ed
几种材料在中子辐照下的ν ¯值（对不同能量的PKA所求出的ν (E)的平均值)
离位损伤剂量（Dose）
➢离位原子数（Nd）、原子位移概率（Displacement Per Atom, DPA） 单位体积材料被中子辐照后产生的
离位原子总数为
Nd = Φ ∗ t ∗ n0 ∗σ d ∗ν
DPA = Nd / n0
中子通量密度 辐照时间 材料单位体积原子数 靶核散射截面 损伤函数
》 入射粒子阈能
入射粒子阈能指使晶格原子离位的入射粒子所具有的最低能量。
级联与损伤函数
➢级联碰撞 (Cascade Process) 最初被撞离位原子(PKA)的能量远大于离位阈能，可连续地和点阵中其他原
子发生碰撞，构成二次、三次以至更多次生离位原子，称为级联碰撞。
》 损伤函数ν (E) 一个PKA 最终撞出的离位原子数目(Frenkel对缺陷数)，称为损伤函数。 金兴-皮斯(Kinchin-Pease, K-P)
核材料性能要求
• 》 核燃料 • 》 结构材料 • 》 堆内构件材料 • 》 压力容器材料 • 》 回路材料 • 》 蒸汽发生器材料 • 》 控制材料与冷却剂材料 • 》 慢化材料和反射材料 • 》 屏蔽材料与安全壳材料
•》
常规性能 物
理性能 力学性能 化学性能
工艺性能 经济性能
• 》 核性能
• 中子吸收与慢化性能 中子活