Возбуждение электронов и потеря энергии движущимися атомами.

       Часть энергии каскада теряется вследствие возбуждения электронов движущимися ядрами. Неупругость столкновений, обусловленная возбуждением электронов, начинает сказываться на процессе, когда при сближении перекрываются L-оболочки атомов. Следующая стадия, которая связана с поглощением еще большей энергией имеет место при перекрывании К-оболочек. Так как энергия возбуждения электронов много меньше 1 кэВ, то процент кинетической энергии, теряемой при столкновении, становится весьма малым. Он становится практически незаметным, когда энергия бомбардирующих частиц приближается к 10⁵ эВ. Поскольку достаточно сильное перекрытие оболочек может происходить только при столкновениях, близких к лобовому, такие неупругие столкновения достаточно редки и наиболее вероятным становится возбуждение валентных электронов. При столкновении кулоновское поле атомов на короткое время возмущается. Длительность этого возмущения:

где - диаметр атома. V-скорость ядра отдачи.

       Существует резонансная связь между электронами движущихся атомов и частотами движения электронов атома – мишени. Возбуждение и ионизация атомов описывается зонной теорией твердого тела. Зонная теория характеризует энергетическое состояние электрона кристаллической решетки разных материалов. Различают три типа материалов:

1)

диэлектрики;

2) полупроводники (ПП);

3) металлы.

Согласно зонной теории, основным фактором, определяющим возбуждение и ионизацию является величина запрещенной зоны . Эта зона разделяет зону проводимости Е_С и валентную зону Е_V.

       В диэлектриках зона проводимости практически пустая, т.к. переброс электрона в нее требует много энергии (>10 эВ).

       В ПП этот переброс облегчен тем, что его можно осуществить при малых энергиях и температуре.

       В металлах валентная зона и зона проводимости перекрывается и электроны свободно перемещаются по материалу при любых энергиях и температурах.

       Зонная теория требует, чтобы валентные электроны, энергия возбуждения которых минимальна, были коллективизированы и рассматривались при расчетах каскада столкновений независимо от локализованных электронов внутренних оболочек.

       Движущийся в твердом теле фрагмент (осколок, частица) в первую очередь взаимодействует с этими валентными электронами. В случае металлов валентная зона заполнена только частично и для возбуждения электронов достаточно сколь угодно малой энергии. Практически во всех твердых телах энергия возбуждения  эВ.     

 

        Общие характеристики процессов, сопровождающих облучение АЗ реактора.

       Активная зона ЯЭУ эксплуатируется при высоких температурах ~350°С со сложным распределением температур по объему (внутри твэла температура достигает 1700-1800°С ), поэтому как топливо (UO₂), так и вспомогательные материалы (замедлитель, теплоноситель) должны удовлетворять требованиям стойкости при высоких температурах . Радиационная стойкость в материалах зависит от их состава, а радиационные повреждения тем больше, чем больше нейтронов прошло через единичную площадку за данный промежуток времени, то есть чем больше флюенс нейтронов:

                                     ,                                          

 

Способность материала противостоять всем нежелательным явлениям , происходящим в ходе облучения, называется радиационной стойкостью. Радиационные повреждения приводят не только к нарушению структуры материалов, но и меняют их физические и химические свойства: изменяется электро- и теплопроводность, возрастают твердость и хрупкость, возрастает температура хладноломкости.

Повышение радиационной стойкости достигается:

а) легированием (введением в материал примесей);

б) специальной термообработкой;

в) конструкционным оформлением деталей.

 

Радиационный рост объема.

       Материалы АЗ подвергаются радиационным повреждениям, среди которых преобладают точечные дефекты. 98% атомов, выбитых из положения равновесия практически сразу рекомбинируют с вакансиями, однако 2% атомов захватываются стационарными скоплениями дефектов. (дислокациями, порами) и как бы распирают кристаллическую решетку. В конце пробега каждого иона или атома отдачи, когда его удельная ионизационная способность особенно велика, образуется сильно разогретая микрообласть – тепловой пик, который производит эффект местной термической обработки. Разогрев может быть так велик, что на короткое время образуется область газообразной или жидкой фазы размером: L~1000Å, где после остывания формируется новое распределение атомов с большим смещением от первоначального положения (пик смещения). Особенно сложные нарушения структуры наблюдаются при торможении осколков деления. Давление в разогретой области сильно возрастает и может превзойти в соседних областях предел упругости. Это приводит к пластической деформации материалов. Смещенные атомы радиационных повреждений и пластических деформаций вызывают рост объема или радиационное распухание материала. Из-за анизотропии свойств в кристалле изменение объема происходит неодинаково по разным осям, что приводит к дополнительным напряжениям и изменениям геометрической формы тела.

Радиационное распухание зависит от флюенса и от температуры , при которой ведется облучение. Распухание тем больше , чем выше температура облучения , однако этот эффект наблюдается только до величины t=250-400°С для разных материалов. После этого распухание снижается и даже полностью пропадает, поскольку при более высокой температуре возрастает подвижность смещенных атомов и идет их рекомбинация с вакансиями.

Под ползучестью мы понимаем пластическую деформацию материала в направлении действия постоянной нагрузки.Эта пластическая деформация увеличивается с ростом температуры; она возрастает в десятки раз под действием радиоактивного излучения уже при t»100°C. И чистый металл “ползет” со скоростью 10^-5% от начальной длины под действием нагрузки 0,01s_n. В результате ползучесть искажает форму изделия.

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться: