Радиационного распухания

способности' ткани от энергии электронов. Для сравнения заметим, что глубина проникновения протонов с энергией 10 МэВ в мягкую ткань (средний линейный пробег) составляет 0,12 см. В качестве удобной меры, позволяющей сравнивать степень радиационного повреждения вещества при воздействии на него различных ионизирующих частиц с разной энергией, предложено использовать величину линейной передачи энергии /,д , выражаемую как отношение энергии dE, кэВ, локально переданной среде ионизирующей частицей вследствие столкновения на элементарном пути dl, к длине этого пути, мкм, (ЛЭП). Средние значения /,ддля различных частиц и энергий приведены в табл. 14.3.

корение процессов разрушения. При этом эффект радиационного повреждения не воспроизводится путем предварительного облучения образцов и последующего испытания при циклическом механическом и тепловом нагружении, что требует постановки внутриреакторных испытаний статическими и повторными нагрузками. Наиболее существенным при этом оказьтается учет снижения пластичности за счет накопления радиационных повреждений.

С развитием атомной энергетики материалы основных элементов реакторов (твэлы, пэлы, датчики системы управления и т. п.) работают во все более высоких потоках излучения, в сложнонапряжен-ном состоянии при высоких температурах, а масштабы промышленного использования реакторов непрерывно увеличиваются. В связи с этим значение вопросов физики радиационных повреждений непрерывно возрастает. В сферу исследований вовлекаются все больше исследователей, новых методов и оборудования. Это повышает значение организационного плана. С целью улучшения организации работ институтов Академий наук и Госкомитета по использованию атомной энергии, ведущих исследования в области физики радиационных повреждений, в СССР разработан и реализуется комплексный корреляционный эксперимент, основной задачей которого является выработка общего подхода к постановке, проведению и в определенной мере к интерпретации результатов исследований по различным проблемам физики радиационного повреждения и радиационного материаловедения. Корреляционный эксперимент предполагает следующее:

Структура радиационного повреждения, вызванного большим числом сторонних частиц, зависит от структуры эмбрионального повреждения, плотности потока и распределения по скоростям сторонних частиц и дозы облучения.

Если плотность потока сторонних частиц и доза облучения достаточно малы, чтобы вероятность прохождения каскадов по областям ранее образованных эмбриональных повреждений была пренебрежимо мала, то структура радиационного повреждения, образованно-

Взаимодействие сторонних частиц и ПВА со средой в общем случае представляет собой очень сложный процесс коллективного взаимодействия одновременно большого числа частиц различных видов. Поэтому единственно возможным путем адекватного описания этого процесса является построение моделей, доступных для исследования и дающих удовлетворительное согласие с экспериментом. Из-за большого разнообразия частиц, участвующих в создании радиационных повреждений как в реальных условиях, так и в экспериментах по имитации реакторного облучения на ускорителях, а также из-за качественного различия характера взаимодействия при высоких и низких энергиях должно существовать несколько моделей. Но поскольку большую часть частиц, участвующих в создании радиационного повреждения, составляют, как правило, тяжелые ионы с начальными энергиями порядка 1 кэВ и выше, то в качестве основы удобно сформулировать физические допущения, формирующие модель взаимодействия тяжелых заряженных частиц с веществом. Все остальные модели будут учтены путем указания пределов применимости основных допущений и тех, к которым следует переходить в случаях неприменимости основных.

включаются более чем два атома одновременно. Такие процессы учитываются методом возмущений (см. импульсное приближение). Во-вторых, при уменьшении энергии движущегося атома ниже предела порядка 1 кэВ частота столкновений резко возрастает и взаимодействие приобретает существенно коллективный характер. В этом случае процесс передачи энергии решетки и ее радиационного повреждения может рассматриваться как быстрый термический процесс в малом объеме, в котором вещество находится в состоянии жидкости или плотного газа. Такая модель развита Бринкмэном [2] и названа теорией теплового пика и пика смещений. Кроме того, эта область энергий в настоящее время интенсивно исследуется методом моделирования на ЭВМ.

Энергия, теряемая сторонними частицами, движущимися в среде, частично переходит в кинетическую энергию вторичных выбитых атомов в результате упругих столкновений и частично в энергию возбуждения электронов вещества (неупругие потери энергии). Именно приведенные в движение в результате упругих столкновений атомы образуют каскад и формируют первичное повреждение. В то же время столкновения сторонней частицы с электронами тормозят движение, теряемая частицей энергия рассеивается и не участвует в образовании радиационного повреждения. Поэтому для предсказания характера радиационного повреждения важно уметь как можно более точно определять упругие и неупругие потери энергии. В данном параграфе проведен теоретический анализ этих потерь без учета кристаллической структуры мишени.

плотность дислокаций и других дефектов и их распределение в объеме. Так, предварительная деформация образцов меди заметно влияет на скорость радиационного повреждения и концентрацию точечных дефектов [38], а следовательно, и на величину предела текучести. Изменение предела текучести стали типа 304 после облучения нейтронами до дозы 6 • 1021 н/см2 в отожженном состоянии достигает 400%, а после холодной деформации — лишь 70% [9]. В качестве примера на 20 приведены типичные зависимости предела текучести облученных сталей 1Х18Н10Т и ОХ16Н15МЗБ от степени предварительной прокатки [40]. Видно, что величина изменений предела текучести существенно зависит от степени деформации, интегрального потока облучения и химического состава сталей. Упрочнение после облучения наблюдается для закаленного и деформированного состояний. При этом максимальный эффект радиационного упрочнения отмечается после деформации примерно до 20%. Сильно деформированная сталь после облучения имеет меньшие прочностные характеристики по сравнению с соответствующими свойствами стали до облучения. Увеличение интегрального потока облучения повышает прочностные свойства сталей. При этом изменение свойств в процессе облучения деформированных сталей при 450—500° С до 2,6 • 1021н/см2 в большей степени связано с термическим воздействием, чем с радиационным. Изменение свойств сталей после облучения потоком 1 • 1022 н/см2 (1060) обусловлено для слабодеформированных сталей радиационным воздействием, для деформированных до 30% и выше — термическим воздействием под облучением (процессами возврата и рекристаллизации).

атомов, отстоящих друг от друга на расстоянии, предотвращающем взаимную рекомбинацию. Дальнейшее поведение этих точечных дефектов двух типов определяет степень и характер радиационного повреждения материала: при рекомбинации вакансий и меж-узельных атомов происходит их исчезновение; приток точечных дефектов к прямолинейным дислокациям и границам зерна ведет к движению или изгибу последних, приток точечных дефектов к дислокационным петлям — к изменению их размера, группировка точечных дефектов — к образованию плоских и трехмерных скоплений (пор, тетраэдров дефектов упаковки и вакансионных петель — в случае группировки вакансий, промежуточных петель — при группировке межузельных атомов.) Поры— только один тип группировки вакансий; для их зарождения и роста в облучаемом материале необходимо следующее:

В большинстве случаев проводится дилатометрия. [3], иммерсионное взвешивание [4, 5] и электронно-микроскопическое исследование [3, 6] контрольных (исходных) и облученных образцов. На них базируются основные представления о закономерностях развития радиационного распухания. Ионная микроскопия [7] и ядерно-физические методы исследования (позитронная аннигиляция [8], малоугловое рассеяние нейтронов [10] и рентгеновских лучей [9]) дополняют их: ионная микроскопия и позитронная аннигиляция позволяют проследить за образованием, зародышей пор, начиная с нескольких вакансий, а метод малоуглового рассеяния рентгеновских лучей — определить концентраций-пор и дислокационных петель при высоком уровне радиационного-повреждения.

Явление радиационного распухания — зарождение и рост пор в неделящихся материалах под воздействием облучения высокоэнергетичными частицами за счет избытка вакансий, возникающего из-за неадекватности взаимодействия вакансий и межузельных атомов с полем напряжения краевых дислокаций, — теоретически было предсказано Фореманом и др. [1] в 1959 г. В 1966 г. при исследовании оболочек твэлов из стали 316, набравших в реакторе DFR дозу, превышающую 1022 н/см2 (Е > 0,1МэВ), их предположение подтвердилось экспериментально [2]. С открытием явления радиационного распухания возникли чрезвычайно сложные проблемы, нашедшие свое отражение в корректировке программ дальнейшего развития быстрых реакторов и других ядерных установок.

Практический интерес к явлению радиационного распухания обусловлен опасностью последствий радиационного распухания конструкционных материалов активной зоны быстрых реактороа и материалов первой стенки термоядерных реакторов: во-первых,. может уменьшиться проходное сечение каналов о теплоносителем, что изменит тепловой режим работы реактора; во-вторых, может произойти заклинивание пакетов с твэлами с вытекающими отсюда серьезными последствиями; в-третьих, развитие пористости может значительно ухудшить механические и физические свойства конст--рукционных материалов и ускорить процесс разгерметизации оболочек твэлов.

В данной главе рассмотрены основные закономерности развития радиационного распухания (температурная, дозная, дозно-скорост-ная зависимости радиационного распухания). Особое внимание уделено рассмотрению возможности получения экспресс-информации о проведении материала в условиях реакторного облучения из данных имитационных экспериментов (облучение на ускорителях и в высоковольтных электронных микроскопах); причин, препятствующих ускоренному воспроизводству процессов, происходящих при реакторном облучении, в имитационных экспериментах, а также методов управления скоростью процессов, происходящих в материале под воздействием облучения и последующего отжига, путем рационального легирования, термомеханической обработки и программированного изменения условий в течение облучения (выбор

В большинстве случаев проводится дилатометрия. [3], иммерсионное взвешивание [4, 5] и электронно-микроскопическое исследование [3, 6] контрольных (исходных) и облученных образцов. На них базируются основные представления о закономерностях развития радиационного распухания. Ионная микроскопия [7] и ядерно-физические методы исследования (позитронная аннигиляция [8], малоугловое рассеяние нейтронов [10] и рентгеновских лучей [9]) дополняют их: ионная микроскопия и позитронная аннигиляция позволяют проследить за образованием, зародышей пор, начиная с нескольких вакансий, а метод малоуглового рассеяния рентгеновских лучей — определить концентраций-пор и дислокационных петель при высоком уровне радиационного-повреждения.

Эксперименты по ионному облучению позволяют осуществлять более строгий контроль за величиной дозы облучения, температурой образца и другими параметрами по сравнению с экспериментами на реакторах; проводить эксперименты при циклических условиях облучения; предварительно, импульсно и непрерывно вводить гелий (или атомы других газов) в любом соотношении с числом смещенных атомов; набирать дозы, не достигаемые в действующих ядерных установках; проводить исследования по влиянию на радиационное распухание материалов скорости смещения атомов, изменяя ее в широких пределах, в связи с чем ионное облучение широко используется при исследовании закономерностей развития радиационного распухания материалов (построение дозной, дозно-скоростной, температурной зависимостей распухания), а также при изучении механизмов зарождения и роста пор, механизмов подавления или ускорения радиационного распухания металлов и сплавов примесными атомами.

Вследствие малого объема поврежденного слоя, что обусловлено малой глубиной проникновения ионов, действенными методами экспериментального определения величины радиационного распухания ионно-облученных образцов являются только два: электронно-микроскопическое исследование (проводимое на глубине, соответствующей максимуму повреждения) ( 51) и определение высоты ступеньки на границе облученной и защищенной областей [15]. Для изучения распределения радиационного повреждения по глубине проникновения ионов проводят стереоэлектронно-микроско-лическое[16], послойное электронно-микроскопическое исследования

При выборе эквивалента радиационного повреждения исходили из процессов взаимодействия падающей частицы с атомами вещества, не включающих процесс отжига возникающих при этом точечных дефектов, — в экспериментах по ионному и электронному облучению, как правило, имитируется доза, выраженная в числе смещений на атом. Из экспериментальных данных следует, что на развитие радиационного распухания существенно влияют структура первичных повреждений, наличие напряжений в облучаемом образце (под напряжением находятся оболочки твэлов, являющиеся основным объектом исследования реакторного повреждения, и распухающие слои в имитационных экспериментах) и зависимость от интенсивности облучения (т. е. от числа смещений / а • с) соотношения скорости создания точечных дефектов и скорости их исчезновения на стоках.

Короткий пробег частиц. В результате образцы не подходят для изучения влияния облучения металлическими ионами на механические свойства; наблюдается пространственная неоднородность радиационного повреждения; на облученную часть действуют сжимающие напряжения со стороны необлученного материала; ограничены методы исследования радиационного распухания;

Поры. На современном этапе исследований радиационного распухания материалов в большинстве случаев экспериментальный

радиационного распухания материалов

Зарождению как дислокационных петель, так и пор в облучаемых материалах предшествует инкубационный период. При электронно-микроскопическом исследовании радиационного распухания поры фиксируются не в момент их зарождения, а по достижении некоторого размера. Доза, при которой появляются фиксируемые поры, называется порогом порообразования (Ф(0). Ввиду зависимости минимального размера и концентрации пор, которые могут быть зафиксированы и идентифицированы, от