Materiały Reaktorowe. Fizyczne podstawy uszkodzeń radiacyjnych cz. 1.

Transkrypt

1 Materiały Reaktorowe Fizyczne podstawy uszkodzeń radiacyjnych cz. 1.

2 Uszkodzenie radiacyjne Uszkodzenie radiacyjne przekaz energii od cząstki inicjującej do materiału oraz rozkład jonów w ciele stałym po zakończeniu zdarzenia. Etapy procesu: 1. Oddziaływanie cząstki uderzającej z jonem w sieci krystalicznej. 2. Przekaz energii kinetycznej do jonu powstanie primary knock-on atom (PKA). 3. Wybicie jonu z jego pozycji sieciowej. 4. Przejście wybitego jonu przez sieć i towarzyszące temu wybijanie innych jonów. 5. Formowanie kaskady ( zbiór defektów punktowych wygenerowanych przez PKA ). 6. Schłodzenie PKA jako jon międzywęzłowy.

3 Uszkodzenie radiacyjne Wynikiem zdarzenia uszkodzenia radiacyjnego jest powstanie zbioru defektów punktowych ( wakacji i jonów międzywęzłowych ) oraz ewentualnie klastrów tych defektów w sieci krystalicznej. Całość procesu trwa ok s.

4 Oddziaływanie neutron - jądro Rozpraszanie elastyczne Ze względu na neutralność elektryczną neutronu zderzenia elastyczne pomiędzy neutronami i jądrem opisane są jako zderzenia sztywnych kul. Neutron przechodząc przez ciało stałe posiada skończone prawdopodobieństwo, że zderzy się z jonem w sieci krystalicznej. 4mM 4A m 1; 2 M m 1 A 2 M A T 2 Ei 1 cos Przekaz energii ( energia odrzutu ).

5 Oddziaływanie neutron - jądro

6 Oddziaływanie neutron - jądro i i s i s E E T E, d E dt T E d E E de E E E i s i s i s i s f f i s i s,,,,,, 2 E i T nie zależy od T!!!

7 Oddziaływanie neutron - jądro Rozpraszanie nieelastyczne Neutron jest absorbowany przez jądro, które następnie emituje neutron i kwant gamma. Jądro najczęściej pozostaje w stanie wzbudzonym. Reakcje (n, 2n) Powstaje dodatkowy neutron, który może powodować dalsze uszkodzenia radiacyjne lub reakcje transmutacji. Reakcje (n, ) Reakcje tego typu są ważne gdy energia odrzutu jądra jest na tyle duże, że wyrzuci jon z położenia węzłowego. Zwłaszcza ważne w uszkodzeniach zbiornika ciśnieniowego reaktora gdzie strumień jest bardzo duży.

8 Oddziaływanie neutron - jądro

9 Oddziaływania pomiędzy jonami. Końcowym wynikiem oddziaływania neutron jon jest utworzenie PKA posiadającego pewną energię kinetyczną. PKA zaczyna zderzać się z innymi jonami w sieci krystalicznej. Właściwy opis oddziaływań pomiędzy jonami jest kluczowy w prawidłowym opisie uszkodzeń radiacyjnych. Zderzenia pomiędzy jonami są rządzone przez prawa mechaniki kwantowej wynikłe z nakrywania się na siebie chmur elektronowych. Zderzenia te opisuje się przy zastosowaniu potencjałów międzyatomowych. Nie istnieje jedna wspólna funkcja potencjału opisująca wszystkie typy oddziaływań. Istnieją różne typy funkcji w zależności od energii i odległości międzyatomowych.

10 Oddziaływania pomiędzy jonami.

11 Oddziaływania pomiędzy jonami. Cu

12 Oddziaływania pomiędzy jonami. (1) 20 MeV protony (2)- 70 MeV produkty rozszczepienia (3)- 50 kev jony Cu

13 Wybity jon z położenia sieciowego (PKA) przemieszcza się poprzez sieć ze znaczną energią kinetyczną. W wyniku kolejnych zderzeń z innymi jonami mogą one doznawać przemieszczenia z pozycji sieciowej. Ilość wybitych jonów z pozycji sieciowych może być bardzo duża. Może to mieć istotny wpływ na właściwości fizyczne i mechaniczne materiału.

14 Prawdopodobieństwo przemieszczenia atomu. Uwzględniając rozmycie wywołane: drganiami jonów, domieszkami, itp.

15 Model Kinchin Pease Określa średnią liczbę przemieszczonych jonów przez PKA o danej energii w sieci krystalicznej. Założenia: 1. Kaskada jest wywoływana na wskutek elastycznych zderzeń pomiędzy dwoma jonami. 2. Prawdopodobieństwo przemieszczenia jest 1 dla E>E d. 3. Wzbudzenia fononowe są zaniedbywalne. 4. Dla energii wyższych od E c nie występują zderzenia pomiędzy jonami a jedynie jonizacja jonów. Poniżej energii E c występują jedynie zderzenia pomiędzy jonami. 5. Transfer energii wskutek zderzeń dany jest modelem sztywnych sfer. 6. Struktura krystaliczna jest zaniedbana.

16 Model Kinchin Pease I II III IV I. Energia PKA jest za mała, żeby wybić jon z położenia sieciowego. II. Tylko jedno przemieszczenie jest możliwe ( PKA albo PKA przekazuje całą swoją energię innemu jonowi ). III.Wzrost energii PKA generuje coraz więcej wybitych jonów. IV. Energia jest na tyle duża, że zaczyna zachodzić jonizacja jonów.

17 Jon w sieci krystalicznej musi otrzymać pewną minimalną ilość energii E d, aby zostać wybity ze swego położenia równowagi. W przeciwnym razie zaczyna drgać wokół położenia równowagi, które są przekazywane na inne jony powodując wzrost temperatury. W sieci krystalicznej wielkość E d zależy od kierunku. rozchodzi się w ściśle przypadkowym kierunku. Kaskada nie Wielkość E d szacuje się z grubsza na ev. Szacuje się ją stosując metody symulacyjne.

18 At. K przemieszcza się w kierunku L w sieci FCC. E d<110> < E d<100> < E d<111> E d zależy od: ilości at. bariery B, odległości at. K od bariery y, najmniejszej odległości przy przejściu pomiędzy at. K i B z. Min. E d : B, y małe, z duże.

19

20 Wpływ struktury krystalicznej Wyostrzanie ( focusing ) przekaz energii lub atomów poprzez zderzenia do przodu wzdłuż płaszczyzn sieciowych. Kanałowanie (channeling ) długozasięgowe przemieszczenia atomów wzdłuż otwartych kierunków krystalograficznych. Oba procesy prowadzą do długozasięgowego transportu defektów daleko od PKA.

21 Średnia droga swobodna PKA

22

23

24

25

26

27

28 Etapy kaskady: 1. Kolizja generowanie PKA (t<1ps) 2. Gwałtowne grzanie - (thermal spike) jon po zderzeniu przekazuje energię jonom sąsiednim (t= 0,1-10 ps ). 3. Szybkie chłodzenie (quenching) osiągnięcie stanu równowagi termodynamicznej ( t > 10 ps, kilka ps ). 4. Wygrzanie rekombinacja defektów ( od nanosekund do miesięcy ).

29 Efektywność kaskady udział par Frenkla, które pozostały po zakończeniu kaskady.

30