Materiały Reaktorowe Fizyczne podstawy uszkodzeń radiacyjnych cz. 1.
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.
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. 10-11 s.
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 ).
Oddziaływanie neutron - jądro
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!!!
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.
Oddziaływanie neutron - jądro
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.
Oddziaływania pomiędzy jonami.
Oddziaływania pomiędzy jonami. Cu
Oddziaływania pomiędzy jonami. (1) 20 MeV protony (2)- 70 MeV produkty rozszczepienia (3)- 50 kev jony Cu
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.
Prawdopodobieństwo przemieszczenia atomu. Uwzględniając rozmycie wywołane: drganiami jonów, domieszkami, itp.
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.
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.
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 20 25 ev. Szacuje się ją stosując metody symulacyjne.
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.
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.
Średnia droga swobodna PKA
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 ).
Efektywność kaskady udział par Frenkla, które pozostały po zakończeniu kaskady.