chapter6 辐照效应 part1幻灯片.ppt

龙斌教授,核工业研究生部,ChinaInstituteofAtomicEnergy,102413,Beijing,China,反应堆材料学MaterialsforNuclearApplication,ChinaInstituteofAtomicEnergy,102413,Beijing,China,辐照效应IrradiationEffectsonstructuralmaterialspart1,辐照效应和辐照损伤,核反应堆结构材料的一个显著特点就是会受到各种射线的辐照，这是它与其它工业材料的最大不同之处。一般冶金学从热力学平衡的角度研究材料的变化，所涉及的能量只有几个乃至几十个eV核能相关的射线能量一般都非常高，中子射线的能量达到keVMeV数量级，相差近百万倍这些高能射线在材料中将会产生许多特殊的辐照效应，对其结构乃至物性产生重大的影响,辐照效应,辐照效应和辐照损伤,辐照损伤是指材料受载能粒子轰击后产生的点缺陷和缺陷团及其演化的离位峰、层错、位错环、贫原子区和微空洞以及析出的新相等。这些缺陷引起材料性能的宏观变化，称为辐照效应。,辐照效应,两种主要的辐射对于结构材料：射线、射线和射线对金属的损伤可忽略，辐照损伤主要来源于中子的辐照；射线对高分子材料有损伤作用，会导致诸如电缆的老化；对于燃料材料：其损伤主要来源于裂变产物,辐照效应,辐照效应和辐照损伤,射线的种类,中性粒子：中子、射线（光子）带电粒子：粒子（He核）、质子、电子（包括）高能原子和离子：裂变产物、一次碰撞反冲原子以及加速的离子,辐照效应,辐照效应和辐照损伤,辐照损伤（irradiationdamage)-类型,过渡效应（电离效应）：是指反应堆内产生的带电粒子和快中子撞出的高能离位原子与靶原子轨道上的电子发生碰撞，而使其脱离轨道的电离现象。对于金属材料来说，这些效应最终主要转换成热量释放，一般不会给材料结构带来什么变化。过渡效应所产生的热效应对于材料的辐照行为具有不可忽视的影响,高能射线对材料产生的辐照损伤效应，按其作用时间的长短，可分为三类,辐照效应和辐照损伤,可逆效应（离位效应）：材料中的原子受到射线辐照后，有可能被弹击出原来的晶格位置，产生晶体缺陷，从而影响材料的性能。具体来说：中子与材料原子发生碰撞，如果传递给阵点原子的能量超过某一最低阈能，这个原子就会离开它在点阵中的正常位置，在点阵中留下空位。当这个原子的能量在多次碰撞后不能再引起另一个阵点原子位移时，该原子会停留在间隙形成一个间隙原子。由于可以通过适当温度的退火来消除这些因辐照产生的晶体缺陷，故称之为“可逆效应”,金属材料中的过渡效应是一种暂态效应，而可逆效应则是一种累积效应，它与射线的辐照剂量有密切的关系,辐照效应,辐照效应和辐照损伤,永久效应（嬗变）：中子能量超过MeV量级，就有可能与靶材料的原子核发生核嬗变，而生成新的原子核，常用A（x，y）B来表示核嬗变反应，其意义为原子核A吸收一个入射粒子x后，放出粒子y，同时原子核A嬗变为原子核B,例如：普通的58Ni原子受中子辐照后，会放出射线，同时生成自然界中不存在的59Ni，即：58Ni(n，)59Ni59Ni继续受到中子辐照后，引起下列的核嬗变反应：59Ni(n，)56Fe放出粒子（氦核），同时生成具有放射性的原子核56Fe,嬗变反应将会使材料的合金元素成分发生变化。由于这种辐照效应不可能通过热处理方法来消除，故称为不可逆效应,辐照效应,辐照效应和辐照损伤,因此：在反应堆结构材料的合金设计中，必须考虑核嬗变引起的合金成分变化，以保证合金的性能不会受到过大的损害，并尽可能减少材料因辐照而诱发产生的放射性影响,(n，)、(n，p)是材料辐照损伤研究中最重要的两类核嬗变反应。这两类嬗变反应产生的氢、氦等元素与辐照缺陷作用在一起，会对材料的结构和性能产生更加复杂的影响。它们一直是辐照损伤研究中的重要课题。,辐照效应,辐照效应和辐照损伤,辐照的间接效应：材料还会因辐照产生一些间接效应，其中最重要的是辐照对材料的腐蚀稳定性的影响腐蚀介质的成分由于辐照分解而发生变化；,这些现象往往会加快材料的腐蚀过程,辐照效应,比如：水的辐射分解-水在反应堆条件下会产生辐射分解：游离氧、水合电子、氢离子,材料表面的保护性氧化膜因辐照出现损伤；材料表面参与化学反应的原子还会从辐照射线获得能量,辐照损伤,辐照效应和辐照损伤,碰撞时的能量传递,离位效应是金属材料辐照损伤的源头什么样的中子能对材料产生辐照损伤？,铁原子的离位阈能：25eV,结构材料的辐照效应主要是由高能中子引起一些原子离开点阵位置而产生的缺陷造成的,裂变反应释放的中子能谱：从0.110MeV，平均能量为2MeV-快中子；能量在0.010.1eV，为慢中子大于1MeV的快中子在级联碰撞中因产生离位原子数量多，从而形成的缺陷团和贫原子区以及它们的存活率也随之增高,辐照效应和辐照损伤,辐照过程的碰撞问题,碰撞过程是一个非常复杂的问题，简化为：,二体碰撞：忽略原子之间的相互作用，只考虑直接参与碰撞的两个物体，即入射粒子和被撞的靶原子，忽略材料中其它相邻原子对这一碰撞的影响。原子碰撞和原子核碰撞：原子的尺度等于其轨道电子产生的电子云的尺度（10-8cm），原子核的尺度只有10-12cm入射粒子先与靶原子的电子云碰撞，穿过电子云后才能与靶原子核碰撞，前者称为原子碰撞（或电子碰撞）；后者称为原子核碰撞入射离子和电子带电荷，与靶原子发生原子碰撞激发（电离态）；因此入射能量的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。入射中子本身不带电荷，辐照时主要是原子核碰撞,辐照效应和辐照损伤,辐照过程的碰撞问题,弹性碰撞和非弹性碰撞：在弹性碰撞假定中，入射粒子与靶原子相互碰撞后，不会放出新的粒子，自身也不会被激发或嬗变成其它粒子，就是说两个碰撞物体的内部状态不会发生任何变化，碰撞前后两个物体的动能和动量均满足守恒定律。弹性碰撞主要用于分析原子核碰撞非弹性碰撞主要用于分析原子碰撞，它不会产生晶体原子离位性质的辐照损伤,辐照效应和辐照损伤,辐照过程的碰撞问题,坐标系的选择：在对二体碰撞进行动力学分析时，可供选择的坐标系有实验室坐标系、相对运动坐标系以及质心坐标系。在研究中子对靶原子的碰撞中，主要采用实验室坐标系和质心坐标系。,实验室坐标系：以实验室为静止参照物，碰撞前靶原子处于静止状态，受到速度为v1的入射粒子碰撞后，靶原子核入射粒子的运动状态均发生变化,质心坐标系：以参加碰撞的两个物体的质心为静止参照物，在该坐标系中，两个物体分别以w1、w2相向运动，碰撞后又分别以w1、w2背向运动,辐照效应和辐照损伤,碰撞时的能量传递,不考虑晶体效应和原子间的作用势，根据经典力学计算。设：入射中子质量M1，能量E0；静止的靶原子质量M2,核工业研究生院,CIAE，龙斌,随机碰撞：根据弹性碰撞中能量和动量的守恒方程，可求出中子传递给靶原子的能量T。将直角坐标换成质心系坐标后，代入能量和动量守恒方程，即可得到随机碰撞时的能量传递为：,式中，为质心散射角,(1),辐照效应和辐照损伤,正碰（二体迎头正碰）：当=180o时，靶原子将从中子的碰撞中获得最大的能量Tmax,式中，称为中子能量损失系数或靶原子的能量吸收系数，或质量因子当=0时，T=0；从弹性碰撞的能量传递公式（1）式可知，因能量为E0的中子与靶原子碰撞的随机性使被撞原子吸收中子的能量T介于0E0之间，其平均值T：T=E0/2,(2),靶核质量M2越小，越大，即入射中子传递给靶原子的能量就越多，即从靶核从中子吸收的能量越多；反之亦然,辐照损伤,辐照效应和辐照损伤,离位阈能和入射粒子阈能,离位阈能（Ed）：被撞原子离开其平衡位置所需的最低临界能量。其值的大小相当于形成一个Frenkel对缺陷的能量。除贵金属外，一般金属的离位阈能约为25eV,-如果TEd，分成两种情况：如果T值足够大，被撞原子有可能克服周围原子的阻碍作用（位垒），离开自己所处的平衡位置，同时留下一个空位，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，称为间隙原子，与原空位共同构成Frenkel对缺陷；如果T值相当大，被撞原子不仅自己发生离位，它还能撞离其它原子，产生新的Frenkel对，直到能量耗至小于Ed为止。,辐照损伤,辐照效应和辐照损伤,离位阈能的方向性,理论计算和实验测量表明，离位阈能具有方向性，即与碰撞中能量传递的方向（原子离位方向）有关。如图：bcc铁的离位阈能，方向较高次之最低,思考题：请从原子排列密度及相互作用的角度解释离位阈能的方向性,辐照效应和辐照损伤,离位阈能和入射粒子阈能,入射粒子阈能：是指使晶格原子离位的入射粒子所具有的最低能量。根据离位阈能值Ed可假如设Ed25eV,代入下式Ed=Tmax,，可算出入射阈能E0值：,产生离位的最低轰击能量（设Ed=25eV）,根据：,取M2=56,=0.069,辐照损伤,辐照效应和辐照损伤,级联碰撞与撞出损伤函数,PKA：快中子最初撞出的第一次离位原子，叫初级离位原子（Primaryknock-onatoms）,已知裂变中子平均能量为2MeV，它轰击铁原子，后者获得的能量约为0.138MeV，此值远远大于铁的离位阈能（Ed=25eV），也远远超过为使铁原子离位所需要的325eV的入射中子能量因此，这个最初离位的原子，如同入射的高能粒子还可以连续地和其它原子发生碰撞，构成二次、三次以至更多次的碰撞,PKA,PKA,辐照损伤,辐照效应和辐照损伤,级联碰撞与撞出损伤函数,级联碰撞（cascadeprocess）：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（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。损伤函数同辐照硬化和脆化的关系尚不明确，但同空洞长大及辐照蠕变有较好的关系。因此损伤函数对评估中子辐照产生的离位原子数及其随后的变化行为很重要，它能决定辐照缺陷的数量、分布形态以及辐照效应大小,因此，对辐照损伤函数（E）的计算很重要,辐照损伤,辐照效应和辐照损伤,金兴-皮斯模型：在计算PKA损伤函数，即生成Frenkel对缺陷计算中，应用最广的即为金兴-皮斯模型，也叫KP模型。,金兴-皮斯（Kinchin-Pease,K-P）模型：从撞出能量与撞出概率的关系中建立。K-P模型的简化假设：1）相互碰撞的两个原子是同种原子；2）碰撞过程为弹性钢球碰撞，忽略电子激发过程的非弹性碰撞影响；3）不考虑一个碰撞过程对另一个碰撞过程的影响；4）PKA撞出晶格原子的离位概率Pd(T)与被撞原子接受的能量T的关系用单值阈能的阶跃函数表示，即TEd(25eV)时，Pd(T)=1，TEd时，Pd(T)=0；,（离位效应）,辐照损伤,辐照效应和辐照损伤,KP模型的描述假设：PKA的动能为Ep，由于碰撞将能量T传递给了靶原子，自身的能量则将为Ep，即：Ep=Ep+T如果离位阈能为Ed，则有,1）EpEi时，撞出函数(Ep)将不再随Ep增加而增加，多出来的能量将消耗在非弹性碰撞过程中,（离位效应）,金兴-皮斯模型,辐照损伤,辐照效应和辐照损伤,级联碰撞与撞出损伤函数,所以K-P模型的计算的离位损伤函数（或离位原子数）(E)的结果如下,0Ei(E)=Ei/2Ed,根据K-P模型，级联的离位原子数和PKA能量的关系,在此条件下，PKA产生Ei/2Ed个离位原子后多余的能量消耗在电子激发上，即离位原子数目不再随PKA的能量增加而增加,PKA碰撞后的剩余能E每增加2Ed，撞出离位原子数（E）将增加1个,辐照损伤,辐照效应和辐照损伤,级联过程的几个特点,辐照中的级联过程是一个很复杂的过程，一些深入的问题现在仍在研究之中。这里仅介绍级联过程的几个特点级联过程持续的时间非常短：例如，一个50keV的Nb的PKA在Nb晶体中大概只要0.24ps(1ps=1012s)时间后就会停止。研究表明，入射粒子的能量在几十乃至几百keV时，其级联过程的持续时间一般都在ps的几千分之一。在分析辐照下的原子行为时，一般采用二个物体之间的势能函数，即二体势能函数，忽略了其它原子的影响。二体势能函数对于两个原子相距很小时比较适用，如碰撞过程的散射问题，就可以利用二体势能处理。在处理晶体原子的静态平衡时，如分析级联过程产生的缺陷最终的稳定态，就得考虑更多的原子之间的相互作用-多体势函数。级联过程中产生的晶体缺陷的分布区域具有明显的特征：离位峰和热峰,辐照损伤,辐照效应和辐照损伤,离位峰和热峰,离位峰：离位峰是描述级联碰撞结束时的Frenkel缺陷分布模型。它由Brinkman提出，也叫Brinkman离位峰,Brinkman认为：PKA的高密度碰撞离位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（displacementspike),核工业研究生院,CIAE，龙斌,初级离位原子路径,辐照损伤,辐照效应和辐照损伤,热峰：辐照损伤的另一个表现是运动中的原子停下来后，剩余的能量将转变成晶格点阵振动能。这种能量存储在一个很小的区域内，在极短的时间内可以认为晶体材料只有在局部区域受热。为了与“离位峰”区别，称这一热影响区为“热峰”（thermalspike)。,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热峰使材料产生硬化和脆化（类似淬火）（仍有待研究）,辐照损伤,辐照效应和辐照损伤,沟道效应和聚焦碰撞,晶体中原子排列是长程有序和周期重复的，且在不同晶向上和相应的晶面与晶面之间的原子间距也不同，所以在有序晶体中发生级联碰撞时，将导致PKA的级联过程产生沟道效应和聚焦换位的特殊碰撞现象沟道效应：是指离位原子沿点阵密排晶向围成的间隙腔入射时，可使级联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，在沟道内不会产生大量的点缺陷,ChannelsappearingindeformedirradiatedpuresinglecrystalNi,Fcc点阵的通道,由原子列所围成的间隙腔通道是fcc点阵中有利于入射粒子穿行较长距离的最大隧道,辐照损伤,辐照效应和辐照损伤,沟道效应和聚焦碰撞,沟道效应,CurtsytoDr.Robin,CurtsytoDr.Robin,Crossslipinducedbydislocat