Материалы ядерной энергетики (стр. 2 из 2)

Одной из характеристик столкновения является энергия, передаваемая бомбардируемому атому. В зависимости от геометрическихпараметров 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; σ_d1 – сечение столкновений, вызывающих смещения; - среднее число смещений на один первично смещенный атом.

- средняя энергия, передаваемая атому быстрой частицей. Величина Е_dзависит 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(n_k) – функция относительного числа электронов, участвующих в ковалентной связи, на один атом, f(n_c) – 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.

Весь спектр дефектов, наблюдаемых в металлических твердых телах после облучения с помощью методов электронной и ионной микроскопии, образуется из первичных радиационных дефектов – пар Френнеля – в результате их взаимодействия между собой и с существующими в материале дефектами кристаллического строения, а также под воздействием локальных возбуждений в электронной подсистеме кристаллической решетки, инициируемых после радиации.

Рассмотренные эффекты, возникающие при смещении атомов в каскаде столкновений обычно называют нарушения смещения. Совершенно иной тип нарушений связан с примесными атомами, введенными или в результате превращений ядер мишени, или вследствие того, что бомбардирующий ион тормозится в образце. Такие дефекты называются примесными нарушениями.

Впервые практические проблемы примесного нарушения возникли при изучении материалов для ядерных реакторов. Было обнаружено, например, что металлический уран, облученный при температуре, несколько большей 500 ^оС,

существенно увеличивает свой объем. Металлографическое исследование выявило в этом случае наличие в металле мелких пор, заполненных инертными газами. Инертные газы в большом количестве образуются в реакторе при делении урана.

Все эти нарушения очень сильно влияют на свойства материалов.

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ.

Немалые трудности возникают также и с захоронением радиоактивных отходов. Общепринятый подход к разработке материалов для этих целей состоит из трех стадий:

1. Отходы вводятся в относительно нерастворимое химически стойкое вещество.

2. Это вещество заключают в герметичный контейнер.

3. Контейнеры захоранивают в сухой и стабильной геологической структуре.

Для первой стадии применялись и применяются боросиликатное стекло и боросиликатная керамика. Главное требование, предъявляемое к такой керамике – сильная поглощающая способность по отношению к ядерным частицам – нейтронам и

- квантам. Из всех веществ наибольшей поглощающей способностью нейтронов обладают легкие элементы H, Li, B, но при поглощении нейтронов происходят ядерные реакции, результатом которых является вторичное излучение. По этой причине защитный материал должен содержать, наоборот, тяжелые элементы, главным образом свинец, поскольку поглощение - квантов подчиняется экспоненциальному закону

N=N₀e^-2da,

где

N и N₀ – плотность

- квантов до и после поглощения соответственно;

d – плотность ослабляющего вещества;

a - коэффициент поглощения.

Применение чистого свинца оказывается нецелесообразным из-за его значительной текучести под влиянием даже собственного веса защитной кладки, состоящей из свинцовых кирпичей. Более эффективными

- защитными материалами являются PbO и более сложные оксиды типа 2PbO, PbSO₄. Они обладают высокими плотностями, достаточно высокими рабочими температурами и технологичны в процессах изготовления порошка, при прессовании и спекании.До прессования эти оксиды смешивают с борсодержащими веществами, например с В₂О₃, с карбидом бора В₄С или с боратидами МеВО₃ и боридами типа МеВ или МеВ₂какого-либо металла Ме, дающего, в свою очередь, низкий уровень вторичного - излучения. После спекания подобные смеси образуют плотную керамику малой пористости.

Но керамика из боро - и свинцово-содержащих веществ имеет много недостатков. Основной из них – пониженная химическая стойкость. Следует отметить еще более низкую стойкость остальных известных и широко применяемых материалов, например бетонов различного состава. По этой причине, в большинстве случаев, и бетоны, и борсодержащая керамика используются скорее на второй стадии в виде герметичных контейнеров. Для первой стадии общепризнанно, что лишь борсодержащее стекло хорошо удерживает радиоактивные отходы.

Для второй стадии кроме рассмотренных выше керамических материалов

испытываются и специальные сплавы, образующиеся в системах Рb-B, Pb-Li и сплавы на основе титана. Сам защитный материал изготовляется в виде керамики, спеченной из порошков таких сплавов. Возможность их практического применения можно выяснить только после глубокого изучения их устойчивости к коррозии в условиях облучения

- квантами и при повышенных температурах. Например, радиоактивный цезий и стронций способны сохранять без разрушения оболочку из таких сплавов, при температуре почти 200 ^оС, около 100 лет. Кроме того, нужно добиться высокой механической прочности предлагаемых сплавов, во избежание повреждения контейнеров с радиоактивными отходами при перевозке к местам захоронения.

ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА.

1. В.И. Фистуль. Новые материалы: состояние, проблемы, перспективы. М. “МИСИС”. 1995 г.

2. А.М. Шалаев, А.А. Адаменко. Радиационно – стимулированное изменение электронной структуры. М. Атомиздат. 1977 г.

3. М. Томпсон. Дефекты и радиационные повреждения в металлах. М. Мир. 1971 г.