d

276 9. Materiały odporne na promieniowanie

9.2. Wpływ środowiska promieniotwórczego na materiały konstrukcyjne

Wobec materiałów stosowanych w energetyce jądrowej stawiane są specjalnie wyostrzone wymagania. Dotyczą one procesu ich wytwarzania, kontroli w czasie eksploatacji i oceny stanu sprawności eksploatacyjnej. Pod wpływem promieniowania, w strukturze materiałów konstrukcyjnych zachodzą przemiany sukcesywnie obniżające charakterystyki eksploatacyjne materiałów. W pierwszym rzędzie pogarszają się właściwości mechaniczne i odporność korozyjna.

Spośród wszystkich rodzajów promieniowania najsilniejszy wpływ na właściwości materiałów wywiera promieniowanie neutronowe. Dlatego do materiałów odpornych na promieniowanie zalicza się te, które zachowują trwałość struktury i właściwości właśnie w warunkach promieniowania neutronowego.

Środowisko promieniotwórcze charakteryzuje się widmem i strumieniem neutronowym. Widmo określa się dyskretnymi poziomami energii neutronów. W zależności od energii neutronów wykorzystywanych do prowadzenia łańcuchowej reakcji jądrowej rozróżnia się reaktory pracujące na neutronach ciepłych (powolnych) i szybkich (prędkich). Strumień zaś charakteryzuje intensywność ośrodka promieniotwórczego i wyraża się liczbą neutronów o energii E > 0,1 MeV przypadających na powierzchnię 1 cm² w czasie 1 sekundy (neutron/cm² s). Zintegrowany strumień neutronów sumowany w czasie jest miarą kumulacji oddziaływania promieniotwórczego i charakteryzuje łączną dawkę promieniowania, którą można też ocenić liczbą przemieszczeń (przesunięć) przypadających na 1 atom (Lp/atom).

Na rysunku 9.4 pokazano model powstawania defektów sieciowych wywołanych zderzeniami wysokoenergetycznych neutronów z atomami sieci krystalicznej. Zderzenia wywołują przesunięcia (przemieszczenia) lub kaskadę przesunięć atomów w sieci - w zależności od ilości energii jaką neutrony przekazały atomom metalu.

O O 0\0 o o 0^0 o 0^0 o

bliska para Frenkla

zderzenia wzajemne (wymienne)

atomy międzywęzło we

strefa zubożenia w atomy (pustka wakansowa)

Rys. 9.4. Model zdefektowania sieci krystalicznej wywołanego zderzeniami neutronów z atomami (model Seegera)

skupiska

dynamiczne

O O O O

oootroo^ ^ _ o o o (mo o

^OI2o°o°o96ro°o

%V^y8°c°o

O (5 0/0 0 0 0

Uderzony neutronem atom, podobnie jak kula bilardowa, uderza sąsiedni atom, wywołując w sieci dodatkowe przesunięcia. Takie kaskadowe - „bilardowe” zjawisko tworzy w strukturze przestrzenie o dużej gęstości dyslokacji z peryferyjnymi obszarami wysokiej koncentracji atomów międzywęzłowych.

Jeden neutron może wytworzyć w aluminium ponad 6 000 wakansów, a w berylu, z dużą energią wiązań międzyatomowych - ponad 450.

Silne strumienie neutronów niosące znaczne zasoby energii pobudzają atomy, nasilają ich drgania i wywołują lokalny wzrost temperatury. To zaś powoduje tzw. wyżarzanie napromieniowaniem (radiacyjne). Wysoka temperatura i napromieniowanie neutronowe mogą wywołać w materiale reakcje jądrowe z tworzeniem się helu, co z kolei prowadzi do powstawania pęcherzy gazowych na granicach ziarn. Jest logiczne, że wymienio-