Матеріали ядерної енергетики

Мордовський ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ.

ФІЗИЧНИЙ ФАКУЛЬТЕТ.

Башлик Н.А.

МАТЕРІАЛИ ЯДЕРНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ.

ЗМІСТ:

ВСТУП. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.

ФІЗИЧНІ ПРОЦЕСИ В опромінюють

МАТЕРІАЛАХ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.

3. ЗСУВ АТОМІВ У кристалічний-

Кой РЕШІТЦІ ПІД ДЕЙСТВІЕІОНІЗІРУЮ-

Ного ВИПРОМІНЮВАННЯ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.

4. МАТЕРІАЛИ ДЛЯ ЗБЕРІГАННЯ Радіоактив-

Відходів. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.

Використаної літератури. . . . . . . . . . . . . . . . . .10.

ВСТУП.

В даний час, у зв'язку сростом виробництва і зростанням потреб людства відбувається зростання споживаної енергії. Однак шлях нещадної експлуатації внутреземних джерел енергії неекологічен. Безумовно, перспективні пошуки і розробки нових джерел енергії. До них в першу чергу відноситься ядерна енергетика. Використання ядерної енергії стримується не стільки з міркувань надійності ядерних реакторів, скільки через проблеми створення матеріалів, придатних для використання в реакторах. Ці матеріали повинні відповідати таким вимогам:

Стійкість до високих температур.

Стійкість до руйнуючій впливу іонізуючого випромінювання.

Різні види випромінювання, впливаючи на тверді тіла, викликають специфічні радіаційні дефекти. В даний час є численні докази не тільки утворення дефектів, але і зміни їх виду, форми, швидкості руху в процесі опромінення.

ФІЗИЧНІ ПРОЦЕСИ В олучают

МАТЕРІАЛАХ.

Вивчаючи результати радіаційного пошкодження в металах, слід розрізняти первинні і вторинні ефекти, в результаті яких в опромінених матеріалах утворюються дефекти, що спостерігаються експериментально.

Первинним ефектом пошкодження кристалічної решітки металів радіацією слід вважати передачу одному з атомів решітки досить великий кінетичної енергії і одночасну передачу додаткової енергії системі вільних і пов'язаних електронів.

Збуджений атом (атом, який отримав додаткову кінетичну енергію) рухається крізь грати, розштовхуючи атоми і, залишає за собою слід - область ушкодження, яка складається із зміщених атомів, оточених хмарою збуджених електронів. Таким чином, одним з результатів первинного ефекту взаємодії іонізуючого випромінювання з речовиною є утворення вакантних місць в решітці і междоузельних атомів.

До вторинних ефектів опромінення, що призводить до спостережуваних на практиці радіаційним дефектів певної конфігурації, слід віднести рух та освіта асоціацій точкових дефектів. Цей процес залежить від реальної структури кристалів (наявності порушень кристалічної решітки, системи дислокацій, домішок і т. п.) і енергії, переданої системі вільних і пов'язаних електронів.

З цієї точки зору, немає ніякої різниці у впливі на речовину, наприклад, швидких нейтронів і - Випромінювання. Обидва види випромінювання впливають на весь обсяг матеріалу, так як проникаюча здатність нейтронів і - Квантів досить висока.

У разі нейтронних потоків усунення атомів викликають самі нейтрони, у разі - Випромінювання - вторинні електрони. Різниця в тому, що електрони, утворені - Квантами, викликають поодинокі зсуву, а нейтрони - каскади вторинних і більш високого порядку зсувів. Розрахунки показують, що нейтрон викликає на два-три порядки більше точкових дефектів, ніж електрон або - Квант, що породжує швидкий електрон. Одночасно з генерацією точкових дефектів нейтрони і - Кванти передають певну частину своєї енергії електронам кристалічної решітки. Вільна енергія металевої системи підвищується, і при цьому знижується енергія активації процесів, пов'язаних з переміщенням атомів і дефектів. У результаті збільшення рухливості атомів і дефектів, а також залежно від фізичних і атомних параметрів речовини та деяких зовнішніх факторів, може утворитися різноманіття спостережуваних методами електронної мікроскопії радіаційних дефектів: асоціації вакансій і междоузельних атомів; дископодібні скупчення точкових дефектів, закриваються, за певних умов у петлі дислокацій, і багато інші дефекти.

Збільшенню рухливості точкових дефектів і атомів може сприяти і перерозподіл відносної щільності вільних і локалізованих електронів в мікрообластей кристала, що виникають як у результаті утворення радіаційних дефектів, так і внаслідок виникнення динамічної додаткової рухливості елементів системи. Як свідчать досліди, значно збільшується рухливість атомів в зонах радіаційних пошкоджень, створюваних швидкими зарядженими частинками, уламками поділу, або іонізованими зміщеними атомами.

Динаміка утворення певного складного радіаційного дефекту залежить від параметрів рухливості атомів і дефектів у металевому твердому тілі в процесі опромінення. Важливе значення у збільшенні рухливості дефектів, ймовірно, грає і наведене випромінюванням електронне збудження, так як в області низьких температур термодинаміка пророкує надзвичайно низькі дифузійні характеристики атомів і дефектів, в той час як при опроміненні навіть в області низьких температур іноді спостерігаються асоціації дефектів, які можуть утворитися тільки в результаті дифузійного переміщення атомів або дефектів.

При досить високій температурі, дефекти зазнають ряд перетворень: взаємно знищуються; частина дефектів може виходити на поверхню металу або межі зерен. Якщо дефекти адсорбуються дислокацією, то це призводить до закріплення останніх. Якщо поглинених дефектів багато, вони переміщаються вздовж лінії дислокації і, збираючись разом, утворюють зубці, які гальмують рух дислокацій. У результаті поглинання дефектів дислокація закріплюється, зміцнюється матеріал.

Точкові дефекти можуть не тільки адсорбуватися дислокаціями, а й об'єднуватися, утворюючи дивакансії, потрійні вакансії і комплекси вакансій. На далеких відстанях вакансії не взаємодіють, але при зустрічі вони можуть об'єднуватися в міцний комплекс (його утворення відбувається з пониженням енергії всієї системи). Освічені полівакансіі відчувають зростання. Окремі вакансії, безпосередньо зливаючись в площині шару або утворюючи спочатку сферичні порожнини, які в подальшому сплющуються, переходять у своєрідні кільцеві дислокації. Кільцева дислокація може повертатися, рухливість її обмежена і носить дифузний характер (дислокація може рости і зменшуватися в результаті механізму переповзання). Істотно важливо, що кільцева дислокація перешкоджає руху дислокацій звичайного типу - крайових і гвинтових. Поява кільцевих дислокацій зміцнює метал. Такі кільцеві дислокації дійсно спостерігаються за допомогою електронного мікроскопа.

ЗСУВ атомів в кристалічній решітці ПІД ДІЄЮ ІОНІЗУЮЧОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ.

Розглянемо тепер деякі питання теорії зміщення атомів в результаті впливу радіації на кристалічну решітку твердих тіл.

При пружному зіткненні бомбардирующие частинки з атомом, останній в деяких випадках набуває енергію , Що перевищує деяку енергію, яка називається порогової енергією зміщення . У такому випадку збуджений атом покидає своє місце в решітці. При цьому він може пройти одну або кілька міжатомних відстаней, поки не зупиниться у міжвузлі. У момент переміщення такої атом втрачає зв'язок з гратами, але надає збудливий вплив на електронні зв'язку атомів оточення. Утворюється пара типу Френкеля: вакансія - междоузельний атом. для звичайних металів знаходиться в межах 20 - 40 еВ. Якщо ~ , То утворюється одна пара Френкеля; при >> створюється два, три або цілий каскад дефектів такого ж типу.

Якщо кристалічна решітка опромінюється потоком важких частинок, то енергія, одержувана атомом речовини, досягає великих значень, і поблизу кінця шляху первинно вибитого атома середня відстань між зіткненнями в плотноупакованной кристалічних решітках повинно бути приблизно дорівнює середньому межатомному відстані. У цьому випадку атом на шляху первинно вибитого атома зміщується зі свого місця і утвориться область сильного спотворення, що інтерпретується як пік зсуву.

При опроміненні матеріалів нейтронами спектру реактора або важкими частинками з великою енергією кристалічна решітка відчуває величезне число елементарних ушкоджень.

Незважаючи на відсутність коректної теорії, що враховує колективні процеси і сукупність взаємодій в решітці, усереднене число зміщених атомів можна оцінити досить точно за допомогою дуже простої моделі, заснованої на уявленні про парних зіткненнях.

Однією з характеристик зіткнення є енергія, передана бомбардований атому. У залежності від геометричних параметрів зіткнення (взаємного направлення руху частки і коливання атома) вона може змінюватися від нуля, при

зіткненнях під дуже малим кутом, до максимальної величини , При лобовому зіткненні. Із законів збереження енергії та імпульсу при пружному зіткненні визначається співвідношенням

,

де Е і m - енергія і маса взаємодіє швидкої частинки; М - маса атома речовини.

Для електронів з високою енергією (Е>> 1 МеВ) слід враховувати релятивістські ефекти. У цьому випадку попередній вираз перетворюється в

.

У разі зіткнення з важкої часткою високої енергії можна чекати виникнення каскаду зсувів. Середнє число атомних зміщень розраховується у найпростішому випадку за формулою

,

де - Щільність потоку іонізуючого випромінювання; t - час опромінення; - Число атомів в одиниці об'єму; σd1 - перетин зіткнень, що викликають зміщення; - Середнє число зсувів на один первинно зміщений атом.

- Середня енергія, що передається атому швидкої часткою. Величина Еd залежить від напрямку зсуву відносно кристалографічних осей кристала, що пов'язано з анізотропією сил зв'язку, а також від природи сил зв'язку атомів в решітці.

Середнє число вторинних зміщень

,

де

f (nk) - функція відносного числа електронів, які беруть участь у ковалентного зв'язку, на один атом, f (nc) - функція відносної концентрації вільних електронів на один атом.

Швидкість виникнення радіаційних дефектів

,

де

- Перетин зсуву.

Крім точкових дефектів і їх конфігурацій, в електронному газі кристалічної решітки металу виникають локальні збудження (наводяться як самими дефектами, так і випромінюванням), які гіпотетично можуть вплинути на термодинамічні контакти системи, або її кількох ділянок. Це, у свою чергу, може призвести до збільшення спостерігається рухливості новостворених радіаційних точкових дефектів і існували до опромінення дефектів кристалічної будови. Цим, частково, можна пояснити утворення асоціацій точкових дефектів у вигляді петель дислокації і кластерів під впливом опромінення навіть в області низьких температур.

Весь спектр дефектів, які спостерігаються в металевих твердих тілах після опромінення за допомогою методів електронної та іонної мікроскопії, утворюється з первинних радіаційних дефектів - пар Френнеля - в результаті їх взаємодії між собою і з існуючими в матеріалі дефектами кристалічної будови, а також під впливом локальних збуджень у електронній підсистемі кристалічної решітки, ініційованих після радіації.

Розглянуті ефекти, що виникають при зміщенні атомів у каскаді зіткнень звичайно називають порушення зсуву. Зовсім інший тип порушень пов'язаний з домішкових атомами, введеними або в результаті перетворень ядер мішені, або внаслідок того, що бомбардують іон гальмується в зразку. Такі дефекти називаються домішковими порушеннями.

Вперше практичні проблеми домішкового порушення виникли при вивченні матеріалів для ядерних реакторів. Було виявлено, наприклад, що металевий уран, опромінений при температурі, дещо більшою 500 оС,

істотно збільшує свій обсяг. Металографічні дослідження виявило в цьому випадку наявність в металі дрібних пор, заповнених інертними газами. Інертні гази у великій кількості утворюються в реакторі при розподілі урану.

Всі ці порушення дуже сильно впливають на властивості матеріалів.

МАТЕРІАЛИ ДЛЯ ЗБЕРІГАННЯ РАДІОАКТИВНИХ ВІДХОДІВ.

Чималі труднощі виникають також і з похованням радіоактивних відходів. Загальноприйнятий підхід до розробки матеріалів для цих цілей складається з трьох стадій:

Відходи вводяться у відносно нерозчинне хімічно стійке речовина.

Ця речовина укладають в герметичний контейнер.

Контейнери захоронюють в сухий і стабільної геологічній структурі.

Для першої стадії застосовувалися і застосовуються боросилікатне скло і боросилікатне кераміка. Головна вимога, що пред'являється до такої кераміці - сильна поглинаюча здатність по відношенню до ядерних частинок - нейтронам і - Квантам. З усіх речовин найбільшою поглинає здатністю нейтронів мають легкі елементи H, Li, B, але при поглинанні нейтронів відбуваються ядерні реакції, результатом яких є вторинне випромінювання. З цієї причини захисний матеріал повинен містити, навпаки, важкі елементи, головним чином свинець, оскільки поглинання - Квантів підпорядковується експоненціальним законом

N = N0e-2da,

де

N і N0 - щільність - Квантів до і після поглинання відповідно;

d - щільність послабляє речовини;

a - коефіцієнт поглинання.

Застосування чистого свинцю виявляється недоцільним через його значної плинності під впливом навіть власної ваги захисної кладки, що складається з свинцевих цеглин. Більш ефективними - Захисними матеріалами є PbO і більш складні оксиди типу 2PbO, PbSO4. Вони володіють високими плотностями, досить високими робочими температурами і технологічні у процесах виготовлення порошку, при пресуванні і спіканні. До пресування ці оксиди змішують з борсодержащих речовинами, наприклад з В2О3, з карбідом бору В4С або з боратідамі МеВО3 та бориди типу МеВ або МеВ2 будь-якого металу Ме, що дає, у свою чергу, низький рівень вторинного - Випромінювання. Після спікання подібні суміші утворюють щільну кераміку малої пористості.

Але кераміка з боро - і свинцево-містять речовин має багато недоліків. Основний з них - знижена хімічна стійкість. Слід відзначити ще більш низьку стійкість інших відомих і широко застосовуваних матеріалів, наприклад бетонів різного складу. З цієї причини, в більшості випадків, і бетони, і борсодержащих кераміка використовуються швидше на другій стадії у вигляді герметичних контейнерів. Для першої стадії загальновизнано, що лише борсодержащих скло добре утримує радіоактивні відходи.

Для другої стадії крім розглянутих вище керамічних матеріалів

випробовуються і спеціальні сплави, що утворюються в системах Рb-B, Pb-Li і сплави на основі титану. Сам захисний матеріал виготовляється у вигляді кераміки, спечений з порошків таких сплавів. Можливість їх практичного застосування можна з'ясувати лише після глибокого вивчення їх стійкості до корозії в умовах опромінення - Квантами і при підвищених температурах. Наприклад, радіоактивний цезій і стронцій здатні зберігати без руйнування оболонку з таких сплавів, при температурі майже 200 оС, близько 100 років. Крім того, потрібно домогтися високої механічної міцності пропонованих сплавів, щоб уникнути пошкодження контейнерів з радіоактивними відходами при перевезенні до місць поховання.

Використаної літератури.

В.І. Фістули. Нові матеріали: стан, проблеми, перспективи. М. "МІСіС". 1995

А.М. Шалаєв, А.А. Адаменко. Радіаційно - стимульоване зміна електронної структури. М. Атоміздат. 1977

М. Томпсон. Дефекти та радіаційні пошкодження в металах. М. Світ. 1971