Радиационная стойкость материалов

Радиационное материаловедение

К основным типам излучений, которые способны изменять свойства материалов, относятся:

• пучки ионов,
• гамма-лучи,
• бета-частицы,
• нейтронное излучение.

Самые серьезные воздействия облучения на материалы происходят в активной зоне ядерных реакторов. 3десь атомы, из которых состоят структурные компоненты, многократно смещаются в течении срока службы. Последствия воздействия радиационного излучения на компоненты включают в свой состав:

• увеличение охрупчивания,
• уменьшение пластичности,
• увеличение твердости,
• изменение объема,
• изменение формы,
• возникновение подверженности растрескиванию.

Для того, чтобы уменьшить последствия радиационного излучения необходимо учитывать влияние радиации на этапе проектирования и смягчать ее воздействие посредством изменения условий эксплуатации.

Радиационная стойкость материалов

Радиационная стойкость значительно зависит от вида излучения, мощности и величины поглощенной дозы, условий эксплуатации материала, режима облучения, размеров образца и т. п. Изменение свойств материала сопоставляется с величиной, которая характеризует мощность излучения, поглощенную дозу и флюенс нейтронов. Очень часто количественной характеристикой является предельное значение дозы и/или мощность поглощенной дозы, при которой материал становится непригодным для последующего использования.

Ионы и свободные электроны, которые возникают в результате радиационных процессов, принимают участие в сложных физико-химических превращениях, приводящих к изменению оптических, механических, электрических и других свойств материала. Такие изменения могут быть необратимыми и обратимыми и происходить в течение длительного периода после облучения или в непосредственно в процессе облучения.

Радиационная стойкость неорганических веществ зависит вида химической связи и структуры кристаллической решетки. Самыми стойкими являются ионные кристаллы. Плотные структуры с высокой симметрией наиболее устойчивы к воздействию радиационного излучения. Для стекла характерно изменение прозрачности и появление окраски, иногда происходит кристаллизация. В результате облучения силикатов происходит анизотропное расширение кристалла, уменьшение плотности, аморфизация структуры, уменьшение теплопроводности. Свойства металлов при радиационном излучении, зависят от степени повреждения кристаллической решетки. Электрическое сопротивление сплавов и металлов увеличивается из-за образования дефектов. В полупроводниках всегда изменяется некоторая равновесная при определенной температуре концентрация точечных дефектов. Вследствие действия облучения данный показатель увеличивается, что становится причиной изменения оптических и электрических свойств полупроводников.

Радиационная стойкость органических материалов может быть определена величиной радиационного выхода продуктов процесса радиолиза. Взаимодействие излучения и органического соединения сопровождается образованием промежуточных активных частиц, деструкцией облучения, образованием газов, сшиванием и т. п. Радиационная стойкость полимеров зависит от количества растворенного в них воздуха и скорости его поступления в окружающую среду. В присутствии воздуха происходит радиационно-химическое окисление вещества. В результате данного процесса изменяются термическая и химическая стойкость, модуль упругости, предел прочности, электрическая прочность, диэлектрическая проницаемость и электрическая проводимость. Обратимость изменений в органических материалах обусловлена установлением стационарного равновесия между генерированием нестабильных процессов радиолиза и их гибелью, которые зависят от мощности дозы облучения.

Для того, чтобы увеличить радиационную стойкость материалов, в большинстве случаев используется пассивная защита – экранирование, радиационно-термическая обработка, физико-химическая модификация материала. Посредством экранирования возможно существенно увеличить стойкость любого материала. В случае физико-химической модификации в материал вводятся добавки - антиоксиданты, в результате чего радиационная стойкость может быть увеличена в 7-20 раз. Предварительная радиационно-термическая обработка материала и отжиг позволяют увеличить радиационную стойкость металлов и сплавов в 10-15 раз.