核材料辐照效应
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.
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。
》 聚焦碰撞
指级联碰撞时每级离位原子的散射角逐级减
小，并按某一晶向以准直线方式传递能量和输 送原子的碰撞过程。
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
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
.
第一节 辐照原理
1 碰撞与离位 碰撞与
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
面心立方晶体中的<110>沟道
聚焦碰撞易发生在级联碰撞的低能阶段。
（1）能量损失大，缺陷生成少。 （2）PKA能量沿聚焦轴可传输到较远的地方，
》 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
》 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。
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。
》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。
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。 .
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
⎧0 ⎪
<E
<Ed
Байду номын сангаас
⎪⎨Ed <E <2Ed
⎪2Ed <E <Ei
v (E )=0 v (E )=1 v(E)=E 2Ed
⎩⎪E >Ei
v(E )=Ei 2Ed
》 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）
.
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。
》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
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；
.
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)模型 应用最广的模型，从撞出能量
第四章
核材料辐照效应
主讲人：
.
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
.
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
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）
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
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。
.
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
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。
》 聚焦碰撞
指级联碰撞时每级离位原子的散射角逐级减
小，并按某一晶向以准直线方式传递能量和输 送原子的碰撞过程。
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
单晶在辐照下的缺陷形成过程（MD模拟）
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内容
第一节 辐照原理 第 二节 材料辐照损伤
.
第一节 辐照原理
1 碰撞与离位 碰撞与
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
面心立方晶体中的<110>沟道
聚焦碰撞易发生在级联碰撞的低能阶段。
（1）能量损失大，缺陷生成少。 （2）PKA能量沿聚焦轴可传输到较远的地方，
》 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
》 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。
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。
》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。
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。 .
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
⎧0 ⎪
<E
<Ed
Байду номын сангаас
⎪⎨Ed <E <2Ed
⎪2Ed <E <Ei
v (E )=0 v (E )=1 v(E)=E 2Ed
⎩⎪E >Ei
v(E )=Ei 2Ed
》 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）
.
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。
》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
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；
.
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)模型 应用最广的模型，从撞出能量
第四章
核材料辐照效应
主讲人：
.
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
.
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
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）
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。
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晶体材料结构
原子堆积图
晶格 .
晶胞
晶体材料的辐照损伤
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。
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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