Radiačné poškodenie

Žilinská univerzita v ŽilineKatedra materiálového

inžinierstva

Bc. Filip Pastorek filip.pastorek@azet.sk

Bc. Libor Trško libor.trsko@ltmetal.net

Elektromagnetické žiarenie

• Žiarenie je možné obecne definovať ako šírenie energie priestorom. Ak sa táto energia šíri prostredníctvom vlnenia, ide o elektromagnetické vlnenie (Röntgenové žiarenie a žiarenie gama) Ak sú nositeľmi energie hmotné častice (elektróny, neutrón, častice alfa), hovoríme o korpuskulárnom alebo časticovom žiarení [1].

Obr. 1 Vlnové dĺžky elektromagnetického vlnenia [2]

Časticové žiarenie [1]

Častica alfa – tvorí ju jadro 4He, má dva kladné náboje a dva neutróny, tieto častice sú produktom niektorých rádioaktívnych premien.

Neutrón – je neutrálna (nenabitá) častica s hmotnosťou o málo väčšou ako je hmotnosť protónu.

Elektrón – je najľahšia známa častica s nenulovou pokojovou hmotnosťou a má záporný náboj. Často sa označuje ako častica beta.

Fotóny – sú kvantá elektromagnetického poľa. Majú nulovú pokojovú hmotnosť a preto sa pohybujú rýchlosťou svetla.

Elektromagnetické vlnenie [1]

Žiarenie X (röntgenové ) – je krátkovlnné fotónové žiarenie, vznikajúce v elektrónovom obale atómu. Ide predovšetkým o „brzdné“ žiarenie vznikajúce spomaľovaním nabitých častíc v hmote a ďalej o tzv. „charakteristické“ žiarenie, vznikajúce pri prechode elektrónov z vyššej energetickej hladiny do nižšej.

Žiarenie gama – je krátkovlnné fotónové žiarenie, vznikajúce väčšinou pri prechode atómového jadra z vyššieho energetického stavu do nižšieho (rádioaktívna premena v rádioizotopoch).

Obr. 2 Zdroje radiácie pôsobiace na človeka a materiály [3]

Druhy interakcií [4]

Interakcia žiarenia s elektrónmi ( nebezpečná pre materiály s kovalentnou a iónovou väzbou)

Interakcia žiarenia s jadrom atómua. Energia odovzdaná iónu nestačí na opustenie uzlového

bodu mriežky (zvýšenie energie kmitov mriežky)b. Energia odovzdaná iónu stačí na opustenie uzlového

bodu mriežky (umiestnenie iónu v medzimriežkovej polohe) – najvýznamnejšia interakcia z hľadiska radiačného poškodenia

c. Zachytenie bombardujúcej častice v jadre atómu (transmutácia, štiepenie)

Spôsoby radiačného poškodenia [4,5]

Vznik bodových porúch

K vyrazeniu atómu z uzlovej polohy mriežky treba minimálnu energiu (tzv. Vignerova energia), ktorá je pre kovy 10 až 40 eV.

Po zrážke s neutrónom získavajú zasiahnuté jadrá atómov energiu zhruba o 3 rády väčšiu.

Sú teda vyrážané a pohybujú sa mriežkou rýchlosťou odpovedajúcou prebytkom energie.

Tieto ióny môžu zasahovať a vyrážať z uzlových bodov mriežky ďalšie ióny (sekundárne zrážky).

Sekundárne vyrazené ióny spôsobujú vznik dvojíc vakancia-interstícia (Frenkelove poruchy).

Stred oblasti je bohatý na vakancie (zriedená oblasť) a okraj na interstície (zhustená oblasť).

Spôsoby radiačného poškodenia [5]

Vznik bodových porúch

Výsledkom záverečnej interakcie iónov vyrazených z uzlových bodov, ktoré nemajú dostatočnú energiu na vyrazenie ďalších iónov je Lokálne teplotné ovplyvnenie. Energia sa prejaví zvýšením kmitov mriežky. teplota sa zvýši asi o 1000C počas 10-10s. Takto vznikajú nové mikrooblasti, ktoré majú inú štruktúru ako matrica.

Spôsoby radiačného poškodenia

Obr. 3 Schéma vyrazenia iónov z uzlových bodov mriežky pri dopade neutrónu [4]

n – neutrón ; x – intersticiál ; o - vakancia

Spôsoby radiačného poškodenia[4]

Transmutácia jadra

Zachytenie neutrónu v jadre atómu ožarovanej látky vyvolá transmutáciu jadra. Vzniká buď ťažší izotop daného prvku alebo ión iného prvku, ako napríklad pri reakcii neutrónu s atómom bóru, ktorej produktom je lithium a helium.

Prejavy radiačného poškodenia kovov [4]

Vznik Frenkelových porúch sa prejavuje na mechanických vlastnostiach ako radiačné spevnenie. S rastúcou dávkou Φi rastie medza klzu a pevnosť v ťahu a klesá ťažnosť a kontrakcia. Zároveň klesá húževnatosť a u nelegovaných a nízkolegovaných ocelí sa výrazne zvyšuje prechodová teplota. Hovoríme vtedy o radiačnom skrehnutí.

Obr. 4 Ťahové diagramy uhlíkovej ocele po rôznom

radiačnom poškodení

Obr. 5 Prejavy radiačného krehnutia ocele A 302 B pri rázovej skúške v závislosti na neutrónovej

dávke a teplote ožarovania

neožiarenéneožiarené

neožiarenéneožiarené ožiarenéožiarené

Teplota prerazenia [°C]Teplota prerazenia [°C]

En

erg

ia [

J]

En

erg

ia [

J]

Radiáciou sa zvyšuje následkom nadbytku vakancií rýchlosť tečenia a znižujú sa teploty, pri ktorých sa uplatňujú jednotlivé mechanizmy tečenia. Pri malých napätiach je rýchlosť tečenia úmerná neutrónovému toku. Hovoríme vtedy o radiačnom creepe (tečení).

Rovnakú prvotnú príčinu (nadbytok vakancií) má i narastanie objemu kovu radiáciou vplyvom nukleácie a rastu dutín (swelling). Zväčšenie objemu závisí na neutrónovej dávke, teplote a na materiáli.

Prejavy radiačného poškodenia kovov [4]

Rý

ch

los

ť te

če

nia

[1

/h]

Rý

ch

los

ť te

če

nia

[1

/h]

teplotný creepteplotný creep

creepcreep

Obr. 6 Radiačný a teplotný creep austenitickej ocele

08Cr18Ni9Ti

radiačnýradiačný

Radiáciou sa urýchľuje i priebeh korózie, jednak vďaka zmenám v štruktúre a jednak vplyvom zvýšenia obsahu kyslíka vo vodných prostrediach následkom radiolýzy. Korózia perlitickej ocele vo vode sa radiáciou urýchľuje niekoľkonásobne.

Možné typy korózie: plošná, medzikryštalická, korózne praskanie a korózna únava.

Riešením môže byť navarenie austenitickej nehrdzavejúcej výstelky.

Pri zachytení neutrónu v jadre atómu za vzniku iného prvku sa menia vlastnosti už od 0,001 % premenených atómov. Vznikajúci prvok je v pôvodnom kove nečistotou , väčšinou segreguje na hraniciach zŕn a je príčinou krehnutia. Zvlášť nepriaznivo pôsobia vznikajúce plynné prvky. Hromadia sa na mriežkových poruchách a mikrodefektoch, dosahujú vysoké tlaky a prispievajú k nukleácii a rastu trhlín).

Prejavy radiačného poškodenia kovov [4,6]

International Thermonuclear Experimental Reactor ITER [6]

Polomer nádoby : 10.7mCelková výška 30m

Objem plazmy ~ 837 m³,

Stredná teplota ~100 mil. °C

Použitá literatúra

[1] Kopec, B. a kol.: Nedestruktivní zkoušení materiálu a konstrukcí, Cerm Brno, 2008.

[2] http://sk.wikipedia.org/wiki/Elektromagnetick%C3%A9_%C5%BEiarenie

[3] ttp://www.gjgt.sk/digitalna_studovna/fyzika/2010/102_radioaktivita.ppt 26.11.2010

[4] PLUHAŘ, J. a kol. 1987. Fyzikální metalurgie a mezní stavy materiálu. Praha: SNTL/ALFA – Nakladatelství technické literatury, 1987, 418 s. 04-411-87.

[5] DUDÍK,M.; NOVOVESKÝ.M.: Radiačné a korózne poškodenie.ppt

[6] http:// www.matdesign.sav.sk/data/long_files/slugen.pdf 25.11.2010

Ďakujem za pozornosť