Материалы ядерной энергетики
Другие рефераты
МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ.
ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ.
БАШЛЫКОВ Н.А.
МАТЕРИАЛЫ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ.
СОДЕРЖАНИЕ:
ВВЕДЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 2.
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ОБЛУЧАЕМЫХ
МАТЕРИАЛАХ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . .3.
3. СМЕЩЕНИЕ АТОМОВ В КРИСТАЛЛИЧЕС-
КОЙ РЕШЁТКЕ ПОД ДЕЙСТВИЕИОНИЗИРУЮ-
ЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . .5.
4. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ РАДИОАКТИВ-
НЫХ ОТХОДОВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .8.
ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА . . . . . . . . . . . . . . . . . .10.
ВВЕДЕНИЕ.
В настоящее время, в связи сростом производства и возрастанием
потребностей человечества происходит рост потребляемой энергии. Однако путь
беспощадной эксплуатации внутреземных источников энергии неэкологичен.
Безусловно, перспективны поиски и разработки новых источников энергии. К
ним в первую очередь относится ядерная энергетика. Использование ядерной
энергии сдерживается не столько по соображениям надёжности ядерных
реакторов, сколько из-за проблемы создания материалов, подходящих для
использования в реакторах. Эти материалы должны удовлетворять следующим
требованиям:
Стойкость к высоким температурам.
Стойкость к разрушающему воздействию ионизирующего излучения.
Различные виды излучения, воздействуя на твердые тела, вызывают
специфические радиационные дефекты. В настоящее время имеются
многочисленные доказательства не только образования дефектов, но и
изменения их вида, формы, скорости движения в процессе облучения.
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ОЛУЧАЕМЫХ
МАТЕРИАЛАХ.
Изучая результаты радиационного повреждения в металлах, следует
различать первичные и вторичные эффекты, в результате которых в облучённых
материалах образуются дефекты, наблюдаемые экспериментально.
Первичным эффектом повреждения кристаллической решётки металлов
радиацией следует считать передачу одному из атомов решётки достаточно
большой кинетической энергии и одновременную передачу дополнительной
энергии системе свободных и связанных электронов.
Возбуждённый атом (атом, получивший дополнительную кинетическую
энергию) движется сквозь решётку, расталкивая атомы и, оставляет за собой
след – область повреждения, которая состоит из смещённых атомов, окружённых
облаком возбуждённых электронов. Таким образом, одним из результатов
первичного эффекта взаимодействия ионизирующего излучения с веществом
является образование вакантных мест в решётке и междоузельных атомов.
Ко вторичным эффектам облучения, приводящим к наблюдаемым на практике
радиационным дефектам определённой конфигурации, следует отнести движение и
образование ассоциаций точечных дефектов. Этот процесс зависит от реальной
структуры кристаллов (наличия нарушений кристаллической решётки, системы
дислокаций, примесей и т. п.) и энергии, переданной системе свободных и
связанных электронов.
С этой точки зрения, нет никакой разницы в воздействии на вещество,
например, быстрых нейтронов и [pic]- излучения. Оба вида излучения
воздействуют на весь объём материала, так как проникающая способность
нейтронов и [pic]- квантов достаточно высока.
В случае нейтронных потоков смещение атомов вызывают сами нейтроны, в
случае [pic]- излучения – вторичные электроны. Разница в том, что
электроны, образованные [pic]- квантами, вызывают единичные смещения, а
нейтроны – каскады вторичных и более высокого порядка смещений. Расчеты
показывают, что нейтрон вызывает на два-три порядка больше точечных
дефектов, чем электрон или [pic]- квант, рождающий быстрый электрон.
Одновременно с генерацией точечных дефектов нейтроны и [pic]- кванты
передают определённую часть своей энергии электронам кристаллической
решётки. Свободная энергия металлической системы повышается, и при этом
понижается энергия активации процессов, связанных с перемещением атомов и
дефектов. В результате увеличения подвижности атомов и дефектов, а также в
зависимости от физических и атомных параметров вещества и некоторых внешних
факторов, может образоваться многообразие наблюдаемых методами электронной
микроскопии радиационных дефектов: ассоциации вакансий и междоузельных
атомов; дискообразные скопления точечных дефектов, захлопывающихся в
определённых условиях в петли
дислокаций, и многие другие дефекты.
Увеличению подвижности точечных дефектов и атомов может способствовать и
перераспределение относительной плотности свободных и локализованных
электронов в микрообластях кристалла, возникающие как в результате
образования радиационных дефектов, так и вследствие возникновения
динамической дополнительной подвижности элементов системы. Как
свидетельствуют опыты, значительно увеличивается подвижность атомов в зонах
радиационных повреждений, создаваемых быстрыми заряженными частицами,
осколками деления, либо ионизированными смещёнными атомами.
Динамика образования определённого сложного радиационного дефекта зависит
от параметров подвижности атомов и дефектов в металлическом твёрдом теле в
процессе облучения. Немаловажное значение в увеличении подвижности
дефектов, вероятно, играет и наведённое излучением электронное возбуждение,
так как в области низких температур термодинамика предсказывает чрезвычайно
низкие диффузионные характеристики атомов и дефектов, в то время как при
облучении даже в области низких температур иногда наблюдаются ассоциации
дефектов, которые могут образоваться только в результате диффузионного
перемещения атомов либо дефектов.
При достаточно высокой температуре, дефекты претерпевают ряд превращений:
взаимно уничтожаются; часть дефектов может выходить на поверхность металла
или границы зёрен. Если дефекты адсорбируются дислокацией, то это приводит
к закреплению последних. Если поглощённых дефектов много, они перемещаются
вдоль линии дислокации и, собираясь вместе, образуют зубцы, тормозящие
движение дислокаций. В результате поглощения дефектов дислокация
закрепляется, упрочняется материал.
Точечные дефекты могут не только адсорбироваться дислокациями, но и
объединяться, образуя дивакансии, тройные вакансии и комплексы вакансий. На
дальних расстояниях вакансии не взаимодействуют, но при встрече они могут
объединяться в прочный комплекс (его образование происходит с понижением
энергии всей системы). Образованные поливакансии испытывают рост. Отдельные
вакансии, непосредственно сливаясь в плоскости слоя или образуя сначала
сферические полости, которые в дальнейшем сплющиваются, переходят в
своеобразные кольцевые дислокации. Кольцевая дислокация может
поворачиваться, подвижность её ограничена и носит диффузионный характер
(дислокация может расти и уменьшаться в результате механизма переползания).
Существенно важно, что кольцевая дислокация препятствует движению
дислокаций обычного типа – краевых и винтовых. Появление кольцевых
дислокаций упрочняет металл. Такие кольцевые дислокации действительно
наблюдаются с помощью электронного микроскопа.
СМЕЩЕНИЕ АТОМОВ В КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЁТКЕ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ИОНИЗИРУЮЩЕГО
ИЗЛУЧЕНИЯ.
Рассмотрим теперь некоторые вопросы теории смещения атомов в результате
воздействия радиации на кристаллическую решётку твёрдых тел.
При упругом столкновении бомбардирующей частицы с атомом, последний в
некоторых случаях приобретает энергию [pic], превышающую некоторую энергию,
которая называется пороговой энергией смещения [pic]. В таком случае
возбуждённый атом покидает своё место в решётке. При этом он может пройти
одно или несколько межатомных расстояний, пока не остановится в междоузлии.
В момент перемещения такой атом теряет связь с решёткой, но оказывает
возбуждающее влияние на электронные связи атомов окружения. Образуется пара
типа Френкеля: вакансия – междоузельный атом. [pic] для обычных металлов
находится в пределах 20 – 40 эВ. Если [pic]([pic], то образуется одна пара
Френкеля; при [pic]>>[pic] создаётся два, три или целый каскад дефектов
такого же типа.
Если кристаллическая решётка облучается потоком тяжёлых частиц, то
энергия, получаемая атомом вещества, достигает больших значений, и вблизи
конца пути первично выбитого атома среднее расстояние между соударениями в
плотноупакованных кристаллических решётках должно быть приблизительно равно
среднему межатомному расстоянию. В этом случае атом на пути первично
выбитого атома смещается со своего места и образуется область сильного
искажения, интерпретируемая как пик смещения.
При облучении материалов нейтронами спектра реактора либо тяжёлыми
частицами с большой энергией кристаллическая решётка испытывает огромное
число элементарных повреждений.
Несмотря на отсутствие корректной теории, учитывающей коллективные
процессы и совокупность взаимодействий в решётке, усреднённое число
смещённых атомов можно оценить довольно точно с помощью очень простой
модели, основанной на представлении о парных столкновениях.
Одной из характеристик столкновения является энергия, передаваемая
бомбардируемому атому. В зависимости от геометрических параметров
столкновения (взаимного направления движения частицы и колебания атома)
она может меняться от нуля, при
столкновениях под очень малым углом, до максимальной величины [pic], при
лобовом столкновении. Из законов сохранения энергии и импульса при упругом
столкновении [pic] определяется соотношением
[pic],
где Е и m – энергия и масса взаимодействующей быстрой частицы; М – масса
атома вещества.
Для электронов с высокой энергией (Е >> 1 МэВ) следует учитывать
релятивистские эффекты. В этом случае предыдущее выражение превращается в
[pic].
В случае столкновения с тяжёлой частицей высокой энергии можно
ожидать возникновение
| |  скачать работу |
Другие рефераты
| 
