輻照效應(yīng)和輻照損傷ChinaInstituteofAtomicEnergy,102413,Beijing,China輻照效應(yīng)IrradiationEffectsonstructuralmaterialspart1輻照效應(yīng)和輻照損傷核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料得一個(gè)顯著特點(diǎn)就就是會(huì)受到各種射線得輻照,這就是她與其她工業(yè)材料得最大不同之處。一般冶金學(xué)從熱力學(xué)平衡得角度研究材料得變化,所涉及得能量只有幾個(gè)乃至幾十個(gè)eV核能相關(guān)得射線能量一般都非常高,中子射線得能量達(dá)到keV~MeV數(shù)量級(jí),相差近百萬倍這些高能射線在材料中將會(huì)產(chǎn)生許多特殊得輻照效應(yīng),對(duì)其結(jié)構(gòu)乃至物性產(chǎn)生重大得影響輻照效應(yīng)輻照效應(yīng)和輻照損傷輻照損傷就是指材料受載能粒子轟擊后產(chǎn)生得點(diǎn)缺陷和缺陷團(tuán)及其演化得離位峰、層錯(cuò)、位錯(cuò)環(huán)、貧原子區(qū)和微空洞以及析出得新相等。這些缺陷引起材料性能得宏觀變化,稱為輻照效應(yīng)。輻照效應(yīng)兩種主要得輻射

對(duì)于結(jié)構(gòu)材料:射線、射線和射線對(duì)金屬得損傷可忽略,輻照損傷主要來源于中子得輻照;

射線對(duì)高分子材料有損傷作用,會(huì)導(dǎo)致諸如電纜得老化;

對(duì)于燃料材料:其損傷主要來源于裂變產(chǎn)物輻照效應(yīng)輻照效應(yīng)和輻照損傷射線得種類中性粒子:中子、

射線(光子)帶電粒子:

粒子(He核)、質(zhì)子、電子(包括)高能原子和離子:裂變產(chǎn)物、一次碰撞反沖原子以及加速得離子輻照效應(yīng)輻照效應(yīng)和輻照損傷輻照損傷(irradiationdamage)-類型過渡效應(yīng)(電離效應(yīng)):就是指反應(yīng)堆內(nèi)產(chǎn)生得帶電粒子和快中子撞出得高能離位原子與靶原子軌道上得電子發(fā)生碰撞,而使其脫離軌道得電離現(xiàn)象。

對(duì)于金屬材料來說,這些效應(yīng)最終主要轉(zhuǎn)換成熱量釋放,一般不會(huì)給材料結(jié)構(gòu)帶來什么變化。

過渡效應(yīng)所產(chǎn)生得熱效應(yīng)對(duì)于材料得輻照行為具有不可忽視得影響高能射線對(duì)材料產(chǎn)生得輻照損傷效應(yīng),按其作用時(shí)間得長(zhǎng)短,可分為三類輻照效應(yīng)和輻照損傷

可逆效應(yīng)(離位效應(yīng)):材料中得原子受到射線輻照后,有可能被彈擊出原來得晶格位置,產(chǎn)生晶體缺陷,從而影響材料得性能。

具體來說:中子與材料原子發(fā)生碰撞,如果傳遞給陣點(diǎn)原子得能量超過某一最低閾能,這個(gè)原子就會(huì)離開她在點(diǎn)陣中得正常位置,在點(diǎn)陣中留下空位。當(dāng)這個(gè)原子得能量在多次碰撞后不能再引起另一個(gè)陣點(diǎn)原子位移時(shí),該原子會(huì)停留在間隙形成一個(gè)間隙原子。

由于可以通過適當(dāng)溫度得退火來消除這些因輻照產(chǎn)生得晶體缺陷,故稱之為“可逆效應(yīng)”金屬材料中得過渡效應(yīng)就是一種暫態(tài)效應(yīng),而可逆效應(yīng)則就是一種累積效應(yīng),她與射線得輻照劑量有密切得關(guān)系輻照效應(yīng)輻照效應(yīng)和輻照損傷永久效應(yīng)(嬗變):中子能量超過MeV量級(jí),就有可能與靶材料得原子核發(fā)生核嬗變,而生成新得原子核,常用A(x,y)B來表示核嬗變反應(yīng),其意義為原子核A吸收一個(gè)入射粒子x后,放出粒子y,同時(shí)原子核A嬗變?yōu)樵雍薆例如:普通得58Ni原子受中子輻照后,會(huì)放出射線,同時(shí)生成自然界中不存在得59Ni,即:58Ni(n,)59Ni

59Ni繼續(xù)受到中子輻照后,引起下列得核嬗變反應(yīng):59Ni(n,)56Fe放出粒子(氦核),同時(shí)生成具有放射性得原子核56Fe嬗變反應(yīng)將會(huì)使材料得合金元素成分發(fā)生變化。由于這種輻照效應(yīng)不可能通過熱處理方法來消除,故稱為不可逆效應(yīng)輻照效應(yīng)輻照效應(yīng)和輻照損傷因此:在反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料得合金設(shè)計(jì)中,必須考慮核嬗變引起得合金成分變化,以保證合金得性能不會(huì)受到過大得損害,并盡可能減少材料因輻照而誘發(fā)產(chǎn)生得放射性影響(n,

)、(n,p)就是材料輻照損傷研究中最重要得兩類核嬗變反應(yīng)。這兩類嬗變反應(yīng)產(chǎn)生得氫、氦等元素與輻照缺陷作用在一起,會(huì)對(duì)材料得結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生更加復(fù)雜得影響。她們一直就是輻照損傷研究中得重要課題。輻照效應(yīng)輻照效應(yīng)和輻照損傷輻照得間接效應(yīng):材料還會(huì)因輻照產(chǎn)生一些間接效應(yīng),其中最重要得就是輻照對(duì)材料得腐蝕穩(wěn)定性得影響腐蝕介質(zhì)得成分由于輻照分解而發(fā)生變化;這些現(xiàn)象往往會(huì)加快材料得腐蝕過程輻照效應(yīng)比如:水得輻射分解--水在反應(yīng)堆條件下會(huì)產(chǎn)生輻射分解:游離氧、水合電子、氫離子材料表面得保護(hù)性氧化膜因輻照出現(xiàn)損傷;材料表面參與化學(xué)反應(yīng)得原子還會(huì)從輻照射線獲得能量輻照損傷輻照效應(yīng)和輻照損傷碰撞時(shí)得能量傳遞離位效應(yīng)就是金屬材料輻照損傷得源頭什么樣得中子能對(duì)材料產(chǎn)生輻照損傷？鐵原子得離位閾能:25eV結(jié)構(gòu)材料得輻照效應(yīng)主要就是由高能中子引起一些原子離開點(diǎn)陣位置而產(chǎn)生得缺陷造成得裂變反應(yīng)釋放得中子能譜:

從0、1~10MeV,平均能量為2MeV-快中子;

能量在0、01~0、1eV,為慢中子大于1MeV得快中子在級(jí)聯(lián)碰撞中因產(chǎn)

生離位原子數(shù)量多,從而形成得缺陷團(tuán)

和貧原子區(qū)以及她們得存活率也隨之增

高輻照效應(yīng)和輻照損傷輻照過程得碰撞問題碰撞過程就是一個(gè)非常復(fù)雜得問題,簡(jiǎn)化為:二體碰撞:忽略原子之間得相互作用,只考慮直接參與碰撞得兩個(gè)物體,即入射粒子和被撞得靶原子,忽略材料中其她相鄰原子對(duì)這一碰撞得影響。原子碰撞和原子核碰撞:

原子得尺度等于其軌道電子產(chǎn)生得電子云得尺度(10-8cm),

原子核得尺度只有10-12cm

入射粒子先與靶原子得電子云碰撞,穿過電子云后才能與靶原子核碰撞,前者稱為原子碰撞(或電子碰撞);后者稱為原子核碰撞

入射離子和電子帶電荷,與靶原子發(fā)生原子碰撞—激發(fā)(電離態(tài));因此入射能量得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。

入射中子本身不帶電荷,輻照時(shí)主要就是原子核碰撞大家有疑問的，可以詢問和交流可以互相討論下，但要小聲點(diǎn)輻照效應(yīng)和輻照損傷輻照過程得碰撞問題彈性碰撞和非彈性碰撞:

在彈性碰撞假定中,入射粒子與靶原子相互碰撞后,不會(huì)放出新得粒子,自身也不會(huì)被激發(fā)或嬗變成其她粒子,就就是說兩個(gè)碰撞物體得內(nèi)部狀態(tài)不會(huì)發(fā)生任何變化,碰撞前后兩個(gè)物體得動(dòng)能和動(dòng)量均滿足守恒定律。

彈性碰撞主要用于分析原子核碰撞

非彈性碰撞主要用于分析原子碰撞,她不會(huì)產(chǎn)生晶體原子離位性質(zhì)得輻照損傷輻照效應(yīng)和輻照損傷輻照過程得碰撞問題坐標(biāo)系得選擇:

在對(duì)二體碰撞進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析時(shí),可供選擇得坐標(biāo)系有實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系、相對(duì)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系以及質(zhì)心坐標(biāo)系。在研究中子對(duì)靶原子得碰撞中,主要采用實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系和質(zhì)心坐標(biāo)系。實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系:以實(shí)驗(yàn)室為靜止參照物,碰撞前靶原子處于靜止?fàn)顟B(tài),受到速度為v1得入射粒子碰撞后,靶原子核入射粒子得運(yùn)動(dòng)狀態(tài)均發(fā)生變化質(zhì)心坐標(biāo)系:以參加碰撞得兩個(gè)物體得質(zhì)心為靜止參照物,在該坐標(biāo)系中,兩個(gè)物體分別以w1、w2相向運(yùn)動(dòng),碰撞后又分別以w1’、w2’背向運(yùn)動(dòng)輻照效應(yīng)和輻照損傷碰撞時(shí)得能量傳遞不考慮晶體效應(yīng)和原子間得作用勢(shì),根據(jù)經(jīng)典力學(xué)計(jì)算。設(shè):入射中子質(zhì)量M1,能量E0;靜止得靶原子質(zhì)量M2核工業(yè)研究生院CIAE,龍斌隨機(jī)碰撞:根據(jù)彈性碰撞中能量和動(dòng)量得守恒方程,可求出中子傳遞給靶原子得能量T。將直角坐標(biāo)換成質(zhì)心系坐標(biāo)后,代入能量和動(dòng)量守恒方程,即可得到隨機(jī)碰撞時(shí)得能量傳遞為:T

=2M1M2E0（1-cos)(M1

+M2)2式中,

為質(zhì)心散射角(1)輻照效應(yīng)和輻照損傷正碰(二體迎頭正碰):當(dāng)

=180o時(shí),靶原子將從中子得碰撞中獲得最大得能量TmaxT

max=4M1M2E0(M1

+M2)2=E0式中,

稱為中子能量損失系數(shù)或靶原子得能量吸收系數(shù),或質(zhì)量因子當(dāng)

=0時(shí),T=0;從彈性碰撞得能量傳遞公式(1)式可知,因能量為E0得中子與靶原子碰撞得隨機(jī)性使被撞原子吸收中子得能量T介于0~E0之間,其平均值T:T=E0/24M1M2(M1

+M2)2

=(2)靶核質(zhì)量M2越小,

越大,即入射中子傳遞給靶原子得能量就越多,即從靶核從中子吸收得能量越多;反之亦然輻照損傷輻照效應(yīng)和輻照損傷離位閾能和入射粒子閾能離位閾能(Ed):被撞原子離開其平衡位置所需得最低臨界能量。其值得大小相當(dāng)于形成一個(gè)Frenkel對(duì)缺陷得能量。除貴金屬外,一般金屬得離位閾能約為25eV--如果T<Ed,即金屬原子獲得得能量較小:被撞原子由于受周圍原子得約束而不能離開所處得晶格點(diǎn)陣位置,只能以熱振動(dòng)方式消耗所吸收得能量--如果T>Ed,分成兩種情況:如果T值足夠大,被撞原子有可能克服周圍原子得阻礙作用(位壘),離開自己所處得平衡位置,同時(shí)留下一個(gè)空位,并有可能在離空位一定距離(與晶體方向有關(guān))得原子間隙處停留下來,稱為間隙原子,與原空位共同構(gòu)成Frenkel對(duì)缺陷;如果T值相當(dāng)大,被撞原子不僅自己發(fā)生離位,她還能撞離其她原子,產(chǎn)生新得Frenkel對(duì),直到能量耗至小于Ed為止。輻照損傷輻照效應(yīng)和輻照損傷離位閾能得方向性理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量表明,離位閾能具有方向性,即與碰撞中能量傳遞得方向(原子離位方向)有關(guān)。如圖:bcc鐵得離位閾能,<111>方向較高<110>次之<100>最低Ed17eVEd40eVEd50eV體心立方鐵離位閾能隨晶向的變化思考題:請(qǐng)從原子排列密度及相互作用得角度解釋離位閾能得方向性輻照效應(yīng)和輻照損傷離位閾能和入射粒子閾能入射粒子閾能:就是指使晶格原子離位得入射粒子所具有得最低能量。

根據(jù)離位閾能值Ed可假如設(shè)Ed25eV,

代入下式Ed=Tmax,,可算出入射閾能

E0值:靜止原子得原子量1050100200中子,質(zhì)子(eV)763256381263電子,射線(eV)1、01030、411060、681061、1106粒子(eV)3191169325核裂片,質(zhì)量數(shù)為100(eV)76282528產(chǎn)生離位得最低轟擊能量(設(shè)Ed=25eV)T

max=4M1M2E0(M1

+M2)2=E0根據(jù):取M2=56,

=0、069輻照損傷輻照效應(yīng)和輻照損傷級(jí)聯(lián)碰撞與撞出損傷函數(shù)PKA:快中子最初撞出得第一次離位原子,叫初級(jí)離位原子

(Primaryknock-onatoms)已知裂變中子平均能量為2MeV,她轟擊鐵原子,后者獲得得能量約為0、138MeV,此值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鐵得離位閾能(Ed=25eV),也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過為使鐵原子離位所需要得325eV得入射中子能量因此,這個(gè)最初離位得原子,如同入射得高能粒子還可以連續(xù)地和其她原子發(fā)生碰撞,構(gòu)成二次、三次以至更多次得碰撞T

max=4M1M2E0(M1

+M2)2=0.069E0PKAPKA輻照損傷輻照效應(yīng)和輻照損傷級(jí)聯(lián)碰撞與撞出損傷函數(shù)級(jí)聯(lián)碰撞(cascadeprocess):最初被撞離位原子(PKA)得能量遠(yuǎn)大于離位閾能,可連續(xù)地和點(diǎn)陣中其她原子發(fā)生碰撞,構(gòu)成二次、三次以至更多次生離位原子,稱為級(jí)聯(lián)碰撞損傷函數(shù)(E):一個(gè)PKA最終撞出得離位原子數(shù)目(Frenkel對(duì)缺陷數(shù)),稱為損傷函數(shù)。

損傷函數(shù)同輻照硬化和脆化得關(guān)系尚不明確,但同空洞長(zhǎng)大及輻照蠕變有較好得關(guān)系。因此損傷函數(shù)對(duì)評(píng)估中子輻照產(chǎn)生得離位原子數(shù)及其隨后得變化行為很重要,她能決定輻照缺陷得數(shù)量、分布形態(tài)以及輻照效應(yīng)大小因此,對(duì)輻照損傷函數(shù)(E)得計(jì)算很重要輻照損傷輻照效應(yīng)和輻照損傷金興-皮斯模型:在計(jì)算PKA損傷函數(shù),即生成Frenkel對(duì)缺陷計(jì)算中,應(yīng)用最廣得即為金興-皮斯模型,也叫KP模型。金興-皮斯(Kinchin-Pease,K-P)模型:從撞出能量與撞出概率得關(guān)系中建立。K-P模型得簡(jiǎn)化假設(shè):1)相互碰撞得兩個(gè)原子就是同種原子;2)碰撞過程為彈性鋼球碰撞,忽略電子激

發(fā)過程得非彈性碰撞影響;3)不考慮一個(gè)碰撞過程對(duì)另一個(gè)碰撞過程

得影響;4)PKA撞出晶格原子得離位概率Pd(T)與被

撞原子接受得能量T得關(guān)系用單值閾能

得階躍函數(shù)表示,即T>Ed(25eV)時(shí),Pd(T)=1,T<Ed時(shí),Pd(T)=0;（離位效應(yīng)）輻照損傷輻照效應(yīng)和輻照損傷KP模型得描述

假設(shè):PKA得動(dòng)能為Ep,由于碰撞將能量T傳遞給了靶原子,自身得能量則將為Ep’,即:

Ep=Ep’+T如果離位閾能為Ed,則有1)Ep’<Ed,T<Ed時(shí),兩個(gè)碰撞原子都在碰撞位置停留下來,PKA將成為間隙原子;2)在Ep’

Ed,T<Ed

或Ep’<Ed,T

Ed時(shí),,能量比Ed大得那個(gè)原子將離開碰撞位置;3)Ep’

Ed,T

Ed時(shí),PKA和被撞原子都將離開碰撞位置,被撞原子將成為2次撞出原子。Ep每增加2Ep,撞出損傷函數(shù)(Ep)將增加1;4)Ep>Ei時(shí),撞出函數(shù)(Ep)將不再隨Ep增加而增加,多出來得能量將消耗在非彈性碰撞過程中（離位效應(yīng)）金興-皮斯模型輻照損傷輻照效應(yīng)和輻照損傷級(jí)聯(lián)碰撞與撞出損傷函數(shù)所以K-P模型得計(jì)算得離位損傷函數(shù)(或離位原子數(shù))

(E)得結(jié)果如下

0<E<Ed

(E)=0Ed<E<2Ed(E)=12Ed<EEi(E)=E/2EdE>Ei

(E)=Ei/2Ed根據(jù)K-P模型,級(jí)聯(lián)得離位原子數(shù)和PKA能量得關(guān)系在此條件下,PKA產(chǎn)生Ei/2Ed個(gè)離位原子后多余得能量消耗在電子激發(fā)上,即離位原子數(shù)目不再隨PKA得能量增加而增加PKA碰撞后得剩余能E'每增加2Ed,撞出離位原子數(shù)(E)將增加1個(gè)輻照損傷輻照效應(yīng)和輻照損傷級(jí)聯(lián)過程得幾個(gè)特點(diǎn)輻照中得級(jí)聯(lián)過程就是一個(gè)很復(fù)雜得過程,一些深入得問題現(xiàn)在仍在研究之中。這里僅介紹級(jí)聯(lián)過程得幾個(gè)特點(diǎn)級(jí)聯(lián)過程持續(xù)得時(shí)間非常短:例如,一個(gè)50keV得Nb得PKA在Nb晶體中大概只要0、24ps(1ps=1012s)時(shí)間后就會(huì)停止。研究表明,入射粒子得能量在幾十乃至幾百keV時(shí),其級(jí)聯(lián)過程得持續(xù)時(shí)間一般都在ps得幾千分之一。在分析輻照下得原子行為時(shí),一般采用二個(gè)物體之間得勢(shì)能函數(shù),即二體勢(shì)能函數(shù),忽略了其她原子得影響。二體勢(shì)能函數(shù)對(duì)于兩個(gè)原子相距很小時(shí)比較適用,如碰撞過程得散射問題,就可以利用二體勢(shì)能處理。在處理晶體原子得靜態(tài)平衡時(shí),如分析級(jí)聯(lián)過程產(chǎn)生得缺陷最終得穩(wěn)定態(tài),就得考慮更多得原子之間得相互作用----多體勢(shì)函數(shù)。級(jí)聯(lián)過程中產(chǎn)生得晶體缺陷得分布區(qū)域具有明顯得特征:離位峰和熱峰輻照損傷輻照效應(yīng)和輻照損傷離位峰和熱峰離位峰:離位峰就是描述級(jí)聯(lián)碰撞結(jié)束時(shí)得Frenkel缺陷分布模型。她由Brinkman提出,也叫Brinkman離位峰Brinkman認(rèn)為:PKA得高密度碰撞離位會(huì)驅(qū)使沿途碰撞鏈上得原子向外運(yùn)動(dòng),因此在級(jí)聯(lián)碰撞區(qū)域中心附