核电厂材料-2-第四章材料的辐照效应

核电厂材料第四章材料的辐照效应一般概念中子与材料的反应原子位移材料的辐照效应概述反应堆内存在各种类型的强烈核辐射辐射会使得材料的物理和机械特性发生显著的、破坏性的变化辐射分类α、β、γ、中子、裂变产物β和γ对金属材料不会有永久破坏性作用α和裂变产物的作用主要在燃料内中子的效应最显著中子与材料的反应中子与原子核的反应中子散射：中子散射是反应堆中中子慢化过程的主要核反应弹性散射-总动能不变（动能、动量守恒）非弹性散射-总动能改变（动能不守恒、动量守恒）中子吸收：吸收反应的结果是中子损失，它对反应堆内的中子平衡有重要影响辐射俘获（n,γ)反应，例：58Fe(n,γ)→59Fe,核转化生成异种原子的反应（n,α),(n,p)反应

例中子与原子核的反应电离效应：指反应堆中产生的带电粒子和快中子与材料中的原子相碰撞，产生高能离位原子，高能的离位原子与靶原子轨道上的电子发生碰撞，使电子跳离轨道，产生电离的现象。从金属键特征可知，电离时原子外层轨道上丢失的电子，很快就会被金属中共有的电子所补充，因此电离效应对金属材料的性能影响不大。但对高分子材料会产生较大影响，因为电离破坏了它的分子键。中子与原子核的反应中子与材料反应造成原子移位，产生空位和间隙原子；核反应生成氦气。多数材料发生中子辐照损伤的主要原因是它们的核与快中子发生弹性碰撞。弹性碰撞中所传递的最大能量Ep可用下面的公式表示：式中：m为中子质量；M为被碰撞原子的质量；E为中子的初始能量原子位移离位阈能（Ed）使一个阵点原子离开它在点阵中的正常位置的最低能量。这种位移原子就是中子导致的损伤源。对金属材料来讲，离位阈能一般在25-30ev。级联碰撞如果传递给原子的能量仅稍高于Ed

，初级原子将停留在邻近的稳定的间隙位置上形成一个空位-间隙原子对（FrankelPair）；如果初级位移原子获得能量很大，它就会与其它基体原子相碰产生二级、三级、.....n级位移原子，形成级联碰撞（cascade）。这一过程产生的平均位移原子数近似地等于Ep/2Ed。原子位移快中子的能量是MeV

级的，所以一个快中子会造成上千个离位原子。在一定的温度下，缺陷可以通过扩散发生复合（annealing）而消失，也可以聚集而形成较大尺寸的缺陷团（位错环，空洞）。一个快中子会造成在10nm的长度上几百个位移原子中子与材料产生的核反应（n，α），（n，p）生成的氦气会迁移到缺陷里，促使形成空洞级联碰撞模型原子位移原子位移次数（dpa）辐照损伤材料中，每个原子的位移次数dpa（displacementsperatom）被定义为辐照损伤的单位位移峰一个高能粒子所产生的一连串受撞核通常都集中在该粒子初始运动方向的沿途，这个影响区称为位移峰间接原子位移慢中子不会直接引起原子位移通过辐射俘获反应间接产生中子俘获产生的受激复合核发射光子，余核产生反冲，当光子能量较高时，反冲核能量较高，足以使很多原子位移在热中子反应堆中较为显著燃料的裂变在燃料中同时产生大量的裂变产物，有固体裂变产物和大量的裂变气体。裂变产物是由一个原子发生裂变形成多个原子，会造成燃料的体积膨胀；裂变过程中产生大量的惰性裂变气体（Xe，Kr等）是造成体积膨胀的主要因素。据估计，辐照后期，每一立方厘米的二氧化铀可产生16立方厘米（标准状态）的Kr，Xe气体。这些气体在一定的情况下释放出来会造成燃料的肿胀，并且导致燃料的化学、物理、机械性能的改变；一些挥发性裂变产物（I，Cs，Te，Cd）迁移到冷端可造成对包壳材料的侵蚀。辐照效应位移峰:

一个高能粒子击出的级联碰撞原子趋向于积聚在粒子运动的初级方向上，影响的区域称为位移峰，其长度约10nm。被击出的初级位移原子将沿垂直于初级原子径迹方向，继续运动几个原子的距离，然后停留在间隙位置上，形成一个间隙原子壳。这个极小体积所获得的能量在短时间内转变为热能，并使间隙原子壳发生熔化。在此熔融区内原子重新排列，由于接着而来的迅速冷却使原子冻结在畸变后的位置上，出现了包含大量空位和间隙原子的离位峰。热峰:

一个快中子会经历几次弹性碰撞，速度下降到不可能再造成原子位移时，剩余的能量会以振动的形式消散在一个很小的范围内，形成一个热峰。局部温度可达几千度。离位峰模型辐照效应金属点阵中存在大量的空位和间隙原子会大大增加金属的硬度，降低它的延性。许多材料的体积会明显增加（如石墨、金属铀）。在各向异性的晶体中会发生定向生长和严重畸变。热峰过后留下永久残余变形。因此热峰的产生也将导致材料物理、机械性能变化。实际上，热峰是可以单独发生的，因为入射粒子将产生一系列的PKA，其中一些能量在离位阈能附近可以形成热峰；而离位峰常常是与热峰结合在一起的，因为离位峰内包含了大量能量在离位阈能附近的反冲原子，因此离位峰本身就含有热峰。材料的辐照效应一般规律性能改变辐照肿胀氦脆辐照生长辐照诱导放射性材料的辐照效应1）性能改变辐照导致材料的屈服强度（σ0.2或σs）、抗拉强度（σb）、韧脆转变温度（DBTT或NDT）、杨氏模量（E）及高温蠕变速率（ε）增加；而导致塑性指标（δ，ψ）、密度（D）、冲击功（Ak）、断裂韧性（KⅠc，JⅠc）及热导率（λ）减小。材料的辐照效应2）辐照肿胀

辐照导致材料中产生大量的缺陷，缺陷聚集后产生空位位错环和间隙位错环。空位位错环不易坍塌，因为核反应产生的氦气易聚集在空位位错环内，而使其形成三维的空洞造成体积膨胀；间隙位错环坍塌后在原晶体中多了一个原子面，使体积增加。因此辐照导致材料的肿胀。辐照肿胀与温度有关。如不锈钢大约在0.3-0.5Tm下辐照肿胀量最大（当中子通量达1027n/m2时，肿胀可达15%）。低于此温度，空位、间隙原子可动性不大，被冻结在材料中，高于此温度，缺陷复合的机会增加，肿胀量就会减少。材料的辐照效应3）氦脆由于（n，α）反应产生大量的氦气，一旦氦泡在晶界聚集，就会造成材料的脆化，形成沿晶断裂。4）辐照生长一些材料在中子辐照下表现为定向的伸长和缩短，而密度基本不变，这种现象称为辐照生长，如锆在辐照下呈现a轴生长，c轴缩短的现象，宏观上可观察到包壳管变长。锆辐照生长材料的辐照效应

5）辐照诱