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金屬的輻照損傷和輻照效應介紹

金屬受到高能粒子輻照后可以產生種種宏觀性質的變化,這一現象叫作"輻照效應"。這是由于高能粒子和金屬的點陣原子實發生一系列碰撞,從而在金屬內部產生大量的點缺陷。而這種碰撞的原始微觀過程叫作"輻照損傷"。
嚴格說來,輻照損傷和輻照效應各有不同的含義。前者著重討論輻照粒子所造成的點缺陷的數目和組態,而后者則是研究這些點缺陷進一步的行為和后果。從過程所發生的時間來看,輻照損傷所涉及的原始微觀過程只發生在10-11秒之內,而輻照效應所討論的缺陷遷移過程則需要若干毫秒甚至幾個月。但這兩個過程是密切聯系的,往往難以截然分割;作為核材料的一個獨特問題,常放在一起討論。
輻照損傷 輻照時的入射粒子可以是中子,也可以是帶電粒子,如質子,α(氦核He2+),或碳、鎳之類的重離子等。下面以中子為例說明輻照損傷的各種過程(見晶體結構,晶體缺陷)。
① 當中子和金屬點陣內的某一靶原子的核(靶核)相碰撞,中子就將其能量的一部分傳遞給靶原子。如果所傳遞的能量大于某一個稱作離位閾能(Ed)的閾值(一般約為25eV),被擊原子就脫離它的平衡位置,成為一個初級擊出原子,并在原地留下了一個空位。初級擊出原子還可以和點陣中的其他原子相碰撞得到二級擊出原子;依此類推,構成了一個串級過程。其結果是產生了一系列點缺陷,包括空位和間隙原子,見圖1。需要說明,這是最簡單的模型。在這個模型中假定了碰撞事件是孤立的,每次碰撞只涉及二體的作用,而且忽略了金屬內原子排列的方向性。 
② 擊出原子可以帶有很高的能量,這時它能夠以帶電的離子狀態出現,在行程中可以和點陣原子中的電子交互作用,激發電子產生強烈電離效應。
③ 入射粒子或擊出原子與點陣原子相作用時也可以是掠射性(小角度)的低能傳遞。這時靶原子并不離位而是在其平衡位置附近被迫振動,并將這一振動能迅速傳遞到周圍去。其效果有如金屬內部的一個微觀區域被迅速加熱和冷卻。這個瞬時過程稱作熱峰。熱峰可能在10-11秒的時間內達到幾千度的溫度。
④ 入射粒子最后停留下來,或與靶原子核發生核反應產生新的元素,成為雜質原子。例如,不銹鋼中的鎳可以通過59Ni(n,α)56Fe反應轉化成鐵和氦。
⑤ 考慮到金屬內的原子呈有序排列,因而沿某一晶向的一列原子可能發生一連串連續對撞,從而有換位碰撞,聚焦碰撞,或動力擠子。具體形式見圖2。這些受到晶體學影響的碰撞過程使得點缺陷總的產額要比前述簡單模型所估計的低一些,而且使缺陷產生的地點可以遠離初始碰撞的位置。
⑥ 當入射粒子或擊出原子的能量下降到某一程度(約幾千電子伏),碰撞的幾率變大,碰撞之間的平均自由程接近于點陣原子間距,這時所產生的點缺陷不再是孤立的,而是集中在一個區域。此區域的中心有很多空位,而在邊緣上被一些填隙原子所包圍。這個不穩定的缺陷濃集區稱作位移峰。位移峰邊緣的填隙原子受聚焦碰撞的作用向外推動,又形成了一個新的空位密集區,稱貧化區,如圖2所示。
上述中子輻照損傷過程也適用于帶電粒子,所不同的是帶電粒子和靶原子碰撞的幾率比中子大,射程也較短,因而損傷區集中而且損傷率要比中子大。反之,由于中子不帶電荷,不發生庫侖碰撞,所以它可以有很大的平均自由程和射程,足以造成分布整個金屬中的損傷。另外,帶電粒子可以造成金屬表面的濺射,使金屬表面形成錐形突起(圖3);氣體帶電粒子還可以使金屬表面起泡和層離(圖4);這些都是聚變堆第一壁,即聚變堆最靠里面的第一個和等離子體區相接觸的容器壁(英文稱first wall)材料的重要輻照問題。
輻照效應 輻照損傷的作用是產生多種形式的晶體點缺陷和點陣擾動。然后,這些缺陷將根據一定條件擴散、聚集,或者轉化成其他形式的缺陷,結果使金屬的性質發生變化,這就構成了輻照效應,上述起泡和層離就是輻照效應的一種現象。
輻照損傷缺陷的轉化很大程度上取決于溫度。溫度足夠低時,缺陷區保留原始狀態,在電鏡下呈現為黑斑結構。溫度高時,缺陷可以聚集成Frank固定位錯環,Frank環又可以和其他位錯反應從而轉化成棱柱位錯,等等。除此以外,輻照損傷的空位還可以聚集成空洞,輻照產物He2+ 還可以聚集成氦泡。這些都是已被觀察到的輻照效應。圖5表示輻照后空位聚集成空洞。
輻照后種種缺陷的形成必然會使金屬的性質和行為發生變化。例如大量點缺陷的存在可以影響擴散、碳化物析出、相變等。特別值得舉出的是以下一些在工程實際上很重要的現象:
輻照生長 點缺陷(空位或間隙原子)能在一定晶面上聚集,從而造成某些材料沿一定方向的尺寸隨輻照而顯著變化。輻照生長對各向異性的核燃料(如鈾、钚)和結構材料(如石墨、鋯)是一個很重要的問題。
輻照腫脹 空位和惰性氣體原子的聚集可以造成輻照腫脹。它表現為材料的體積和密度隨輻照發生變化。核燃料在較高溫度時以及快中子堆中的不銹鋼都有腫脹問題。
輻照蠕變 這是指輻照可以導致蠕變或加速熱蠕變。作為輻照蠕變的特征必須是蠕變和輻照劑量或輻照通量有關。發生輻照蠕變的一種原因是:在應力作用下輻照點缺陷將擇優聚集,表現為位錯的定向攀移或位錯環的定向形成,結果材料的尺寸變化既和輻照有關又和應力矢量有關。
輻照硬化和輻照脆化 點缺陷與貧化區的存在將影響晶體中位錯的運動。這會使金屬發生硬化,表現為屈服強度提高(圖6)。也會導致體心立方金屬韌性-脆性轉變溫度上升(圖7),使材料經長期輻照后在其使用溫度下變為脆性材料,這是輻照對反應堆壓力殼體鋼的重要威脅。此外,高溫時氣泡(如氦)在晶界的形成也會造成氦脆。
從以上所舉的部分例子中,可以看出強輻射條件下輻照損傷對金屬宏觀性質的影響是很嚴重的。
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