ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 08.07.2019
Просмотров: 252
Скачиваний: 2
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ПОВОЛЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
КАФЕДРА ФИЗИКИ
РЕФЕРАТ
По дисциплине: ФИЗИКА
На тему: МАТЕРИАЛЫ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
Йошкар-Ола
2016
СОДЕРЖАНИЕ
1. ВВЕДЕНИЕ
2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ОБЛУЧАЕМЫХ
МАТЕРИАЛАХ
3. СМЕЩЕНИЕ АТОМОВ В КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЁТКЕ ПОД ДЕЙСТВИЕИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ
4. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ
ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
ВВЕДЕНИЕ
В истинное время, в связи с подъемом производства и возрастанием потребностей человечества происходит рост потребляемой энергии. Однако путь эксплуатации внутриземных источников энергии очень неэкологичен. Населением земли происходит поиски и иследование новых источников энергии. К ним в первую очередь относится ядерная энергетика. Внедрение ядерной энергии сдерживается не столько по соображениям надёжности ядерных реакторов, насколько из-за трудности создания материалов, пригодных для применения в реакторах. Эти материалы обязаны удовлетворять следующим требованиям:
-
Стойкость к высоким температурам.
-
Стойкость к разрушающему воздействию ионизирующего излучения.
Разные виды излучения, влияя на твердые тела, вызывают специфические радиационные дефекты. В настоящее время имеются многочисленные доказательства не только образования дефектов, однако и изменения их вида, формы, скорости движения в процессе облучения.
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ОБЛУЧАЕМЫХ МАТЕРИАЛАХ
Изучая итоги радиационного повреждения в металлах, надлежит распознавать первичные и вторичные эффекты, в результате которых в облучённых материалах образуются дефекты, которые наблюдаемые экспериментально.
Изначальным результатом дефекта кристаллической решётки металлов радиацией надлежит полгать передачу одному из атомов решётки достаточно большой кинетической энергии и одновременную передачу дополнительной энергии системе вольных и связанных электронов.
Возбуждённый атом (атом, получивший дополнительную кинетическую энергию) перемещается через решётку, расталкивая атомы и, оставляет за собой отпечаток – область дефекта, которая состоит из смещённых атомов, окружённых тучей возбуждённых электронов. Таким образом, одним из итогов первичного результата взаимодействия ионизирующего излучения с веществом является образование незамещенных мест в решётке и междоузельных атомов.
Ко вторичным результатам облучения, приводящим к наблюдаемым на практике радиационным дефектам конкретной конфигурации, следует отнести движение и образование ассоциаций точечных дефектов. Этот процесс зависит от реальной структуры кристаллов (присутствия нарушений кристаллической решётки, системы дислокаций, примесей и т. п.) и энергии, переданной системе свободных и связанных электронов.
С
данной точки зрения, нет никакой разницы
в воздействии на вещество, к примеру,
быстрых нейтронов и
-
излучения. Оба вида излучения действует
на весь объём материала, так как
проникающая способность нейтронов и
-
квантов довольно высока.
В
случае нейтронных потоков смещение
атомов вызывают сами нейтроны, в случае
-
излучения – вторичные электроны. Разница
в том, что электроны, образованные
-
квантами, вызывают одиночные смещения,
а нейтроны – каскады вторичных и наиболее
высокого порядка смещений. Подсчеты
демонстрируют, что нейтрон вызывает на
два-три порядка больше точечных дефектов,
чем электрон или
-
квант, рождающий быстрый электрон.
Одновременно с генерацией точечных
дефектов нейтроны и
-
кванты передают определённую часть
своей энергии электронам кристаллической
решётки. Вольная энергия металлической
системы увеличивается , и при этом
понижается энергия активации процессов,
связанных с перемещением атомов и
дефектов. В итоге увеличения активности
атомов и дефектов, а также в зависимости
от физических и атомных характеристик
вещества и некоторых внешних факторов,
может образоваться многообразие
наблюдаемых методами электронной
микроскопии радиационных дефектов:
ассоциации вакансий и междоузельных
атомов; дискообразные скопления точечных
дефектов, захлопывающихся в определённых
условиях в петли дислокаций, и многие
другие дефекты.
Увеличению физической активности точечных дефектов и атомов может способствовать и перераспределение условной плотности свободных и локализованных электронов в микрообластях кристалла, появляющиеся как в итоге образования радиационных дефектов, так и вследствие происхождения динамической дополнительной подвижности элементов системы.
Как свидетельствуют эксперименты, существенно возрастает маневренность атомов в зонах радиационных повреждений, создаваемых быстрыми заряженными частицами, осколками деления, либо ионизированными смещёнными атомами.
Динамика образования конкретного сложного радиационного дефекта зависит от параметров подвижности атомов и дефектов в металлическом твёрдом теле в процессе облучения. Существенное значение в увеличении подвижности дефектов, возможно играет и наведённое излучением электронное возбуждение, так как в области невысоких температур термодинамика предсказывает чрезвычайно невысокие диффузионные характеристики атомов и дефектов, в то время как при облучении даже в области низких температур иногда наблюдаются ассоциации дефектов, которые могут образоваться только в результате диффузионного перемещения атомов либо дефектов.
При довольно высокой температуре, дефекты испытывают ряд превращений: обоюдно уничтожаются; часть дефектов может выходить на плоскость металла или границы зёрен. Если дефекты адсорбируются дислокацией, то наверное приводит к закреплению последних. Если поглощённых дефектов много, они перемещаются вдоль линии дислокации и, собираясь вместе, образуют зубцы, тормозящие перемещение дислокаций. В итоге поглощения дефектов дислокация закрепляется, укрепляется материал.
Точечные дефекты имеют все шансы не только адсорбироваться дислокациями, но и объединяться, образуя дивакансии, тройные вакансии и комплексы вакансий. На дальних расстояниях вакансии никак не взаимодействуют, но при встрече они могут соединяться в прочный комплекс (его получения происходит с понижением энергии всей системы). Образованные поливакансии испытывают рост.
Отдельные вакансии, сливаясь в плоскости слоя или образуя в начале сферические полости, которые в будущем сплющиваются, переходят в своеобразные кольцевые дислокации. Кольцевая дислокация может перемещаться, подвижность её ограничена и носит диффузионный характер (дислокация может расти и уменьшаться в результате механизма переползания).
Очень важно, что кольцевая дислокация препятствует передвижению дислокаций обычного типа – краевых и винтовых. Появление кольцевых дислокаций делает прочным металл.
Такие кольцевые дислокациина самом деле наблюдаются при помощью электронного микроскопа.
СМЕЩЕНИЕ АТОМОВ В КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЁТКЕ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Рассмотрим в данный момент некоторые вопросы теории смещения атомов в итоге воздействия радиации на кристаллическую решётку твёрдых тел.
При
упругом столкновении бомбардирующей
частицы с атомом, последний в некоторых
случаях получает энергию
,
превышающую некоторую энергию, которая
называется пороговой
энергией смещения
.
В таком случае возбуждённый атом покидает
своё место в решётке. При этом он может
пройти одно или несколько межатомных
расстояний, пока не остановится в
междоузлии. В момент перемещения такой
атом теряет связь с решёткой, но оказывает
возбуждающее влияние на электронные
связи атомов окружения. Образуется пара
типа Френкеля: вакансия – междоузельный
атом.
для обычных металлов находится в пределах
20 – 40 эВ. Если
,
то образуется одна пара Френкеля; при
>>
создаётся два, три или целый каскад
дефектов такого же типа.
Если кристаллическая решётка облучается потоком тяжёлых частиц, то энергия, получаемая атомом вещества, достигает больших значений, и вблизи конца пути первично выбитого атома среднее расстояние между соударениями в плотноупакованных кристаллических решётках должно быть приблизительно равно среднему межатомному расстоянию. В этом случае атом на пути первично выбитого атома смещается со своего места и образуется область сильного искажения, интерпретируемая как пик смещения.
При облучении материалов нейтронами спектра реактора либо тяжёлыми частицами с большой энергией кристаллическая решётка испытывает огромное число элементарных повреждений.
Несмотря на отсутствие корректной теории, учитывающей коллективные процессы и совокупность взаимодействий в решётке, усреднённое число смещённых атомов можно оценить довольно точно с помощью очень простой модели, основанной на представлении о парных столкновениях.
Одной
из характеристик столкновения является
энергия, передаваемая бомбардируемому
атому. В зависимости от геометрических
параметров столкновения (взаимного
направления движения частицы и колебания
атома) она может меняться от нуля, при
столкновениях под очень малым углом,
до максимальной величины
,
при лобовом столкновении. Из законов
сохранения энергии и импульса при
упругом столкновении
определяется соотношением
,
где Е и m – энергия и масса взаимодействующей быстрой частицы; М – масса атома вещества.
Для электронов с высокой энергией (Е >> 1 МэВ) следует учитывать релятивистские эффекты. В этом случае предыдущее выражение превращается в
.
В случае столкновения с тяжёлой частицей высокой энергии можно ожидать возникновение каскада смещений. Среднее число атомных смещений рассчитывается в простейшем случае по формуле
,
где
- плотность потока ионизирующего
излучения; t
– время облучения;
-
число атомов в единице объема; уd1
– сечение столкновений, вызывающих
смещения;
-
среднее число смещений на один первично
смещенный атом.
-
средняя энергия, передаваемая атому
быстрой частицей. Величина Еd
зависит от направления смещения
относительно кристаллографических
осей кристалла, что связано с анизотропией
сил связи, а также от природы сил связи
атомов в решетке.
Среднее число вторичных смещений
,
где
f(nk) – функция относительного числа электронов, участвующих в ковалентной связи, на один атом, f(nc) – функция относительной концентрации свободных электронов на один атом.
Скорость возникновения радиационных дефектов
,
где
-
сечение смещения.
Помимо точечных дефектов и их конфигураций, в электронном газе кристаллической решетки металла возникают локальные возбуждения (наводимые как самими дефектами, так и излучением), которые гипотетически могут оказать влияние на термодинамические контакты системы, либо ее нескольких участков. Это, в свою очередь, может привести к увеличению наблюдаемой подвижности вновь образованных радиационных точечных дефектов и существовавших до облучения дефектов кристаллического строения. Этим, отчасти, можно объяснить образование ассоциаций точечных дефектов в виде петель дислокации и кластеров под воздействием облучения даже в области низких температур.