Реферат: Материалы ядерной энергетики

МОРДОВСКИЙГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ.

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ.

БАШЛЫКОВ Н.А.

МАТЕРИАЛЫ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ.

СОДЕРЖАНИЕ:

1.<span Times New Roman"">    

ВВЕДЕНИЕ....................................... 2.

2.<span Times New Roman"">    

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ОБЛУЧАЕМЫХ

МАТЕРИАЛАХ................................... .3.

3.  СМЕЩЕНИЕ АТОМОВ В КРИСТАЛЛИЧЕС-

  КОЙ РЕШЁТКЕ ПОД  ДЕЙСТВИЕИОНИЗИРУЮ-

      ЩЕГОИЗЛУЧЕНИЯ .............................. .5.

       4.  МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ РАДИОАКТИВ-

             НЫХ ОТХОДОВ.................................. .8.

 

5.<span Times New Roman"">      

ВВЕДЕНИЕ.

          Внастоящее время, в связи сростом производства и возрастанием потребностей человечествапроисходит рост потребляемой энергии. Однако путь беспощадной эксплуатациивнутреземных источников энергии неэкологичен. Безусловно, перспективны поиски иразработки новых источников энергии. К ним в первую очередь относится ядернаяэнергетика. Использование ядерной энергии сдерживается не столько посоображениям надёжности ядерных реакторов, сколько из-за проблемы созданияматериалов, подходящих для использования в реакторах. Эти материалы должныудовлетворять следующим требованиям:

1.<span Times New Roman"">    

2.<span Times New Roman"">    

Различные виды излучения,воздействуя на твердые тела, вызывают специфические радиационные дефекты. Внастоящее время имеются многочисленные доказательства не только образованиядефектов, но и изменения их вида, формы, скорости движения в процессе облучения.

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ОЛУЧАЕМЫХ МАТЕРИАЛАХ.

           Изучая результаты радиационного повреждения вметаллах, следует различать первичные и вторичные эффекты, в результате которыхв облучённых материалах образуются дефекты, наблюдаемые экспериментально.

          Первичным эффектом повреждениякристаллической решёткиметалловрадиацией следует считать передачу одному из атомов решётки достаточно большойкинетической энергии и одновременную передачу дополнительной энергии системесвободных и связанных электронов.

          Возбуждённыйатом (атом, получивший дополнительную кинетическую энергию) движется сквозьрешётку, расталкивая атомы и, оставляет за собой след – область повреждения,которая состоит из смещённых атомов, окружённых облаком возбуждённыхэлектронов. Таким образом, одним из результатов первичного эффекта взаимодействияионизирующего излучения с веществом является образование вакантных мест врешётке и междоузельных атомов.

          Ковторичным эффектам облучения,приводящим к наблюдаемым на практике радиационным дефектам определённойконфигурации, следует отнести движение и образование ассоциаций точечныхдефектов. Этот процесс зависит от реальной структуры кристаллов (наличиянарушений кристаллической решётки, системы дислокаций, примесей и т. п.) иэнергии, переданной системе свободных и связанных электронов.

          Сэтой точки зрения, нет никакой разницы в воздействии на вещество, например,быстрых нейтронов и  <img src="/cache/referats/1963/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1025">  <img src="/cache/referats/1963/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1026">квантовдостаточно высока.

          Вслучае нейтронных потоков смещение атомов вызывают сами нейтроны, вслучае <img src="/cache/referats/1963/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1027"><img src="/cache/referats/1963/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1028"><img src="/cache/referats/1963/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1029"><img src="/cache/referats/1963/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1030">: ассоциации вакансий и междоузельных атомов; дискообразные скопления точечныхдефектов, захлопывающихся в определённых условиях в петли                                           дислокаций, и многие другие дефекты.

Увеличениюподвижности точечных дефектов и атомов может способствовать и перераспределениеотносительной плотности свободных и локализованных электронов в микрообластяхкристалла, возникающие как в результате образования радиационных дефектов, таки вследствие возникновения динамической дополнительной подвижности элементов системы.Как свидетельствуют опыты, значительно увеличивается подвижность атомов в зонахрадиационных повреждений, создаваемых быстрыми заряженными частицами, осколкамиделения, либо ионизированными смещёнными атомами.

Динамикаобразования определённого сложного радиационного дефекта зависит от параметровподвижности атомов и дефектов в металлическом твёрдом теле в процессеоблучения. Немаловажное значение в увеличении подвижности дефектов, вероятно,играет и наведённое излучением электронное возбуждение, так как в областинизких температур термодинамика предсказывает чрезвычайно низкие диффузионныехарактеристики атомов и дефектов, в то время как при облучении даже в областинизких температур иногда наблюдаются ассоциации дефектов, которые могутобразоваться только в результате диффузионного перемещения атомов либо дефектов.

При достаточновысокой температуре, дефекты претерпевают ряд превращений: взаимно уничтожаются; часть дефектов может выходить наповерхность металла или границы зёрен. Если дефекты адсорбируются дислокацией,то это приводит к закреплению последних. Если поглощённых дефектов много, ониперемещаются вдоль линии дислокации и, собираясь вместе, образуют зубцы,тормозящие движение дислокаций. В результате поглощения дефектов дислокациязакрепляется, упрочняется материал.

Точечныедефекты могут не только адсорбироваться дислокациями, но и объединяться,образуя дивакансии, тройные вакансии и комплексы вакансий. На дальних расстоянияхвакансии не взаимодействуют, но при встрече они могут объединяться в прочный комплекс(его образование происходит с понижением энергии всей системы). Образованныеполивакансии испытывают рост. Отдельные вакансии, непосредственно сливаясь вплоскости слоя или образуя сначала сферические полости, которые в дальнейшем сплющиваются,переходят в своеобразные кольцевые дислокации. Кольцевая дислокация можетповорачиваться, подвижность её ограничена и носит диффузионный характер(дислокация может расти и уменьшаться в результате механизма переползания).Существенно важно, что кольцевая дислокация препятствует движению дислокацийобычного типа – краевых и винтовых. Появление кольцевых дислокаций упрочняетметалл. Такие кольцевые дислокации действительно наблюдаются с помощьюэлектронного микроскопа.

СМЕЩЕНИЕ АТОМОВ В КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ      РЕШЁТКЕ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ИОНИЗИРУЮЩЕГОИЗЛУЧЕНИЯ.

Рассмотримтеперь некоторые вопросы теории смещения атомов в результате воздействиярадиации на кристаллическую решётку твёрдых тел.

При упругом столкновениибомбардирующей частицы с атомом, последний в некоторых случаях приобретаетэнергию <img src="/cache/referats/1963/image006.gif" v:shapes="_x0000_i1031">пороговойэнергией смещения <img src="/cache/referats/1963/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1032">:вакансия – междоузельный атом. <img src="/cache/referats/1963/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1033"> для обычных металловнаходится в пределах 20 – 40 эВ. Если <img src="/cache/referats/1963/image010.gif" v:shapes="_x0000_i1034"><span Times New Roman"; mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family: Symbol">~

<img src="/cache/referats/1963/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1035">; при <img src="/cache/referats/1963/image006.gif" v:shapes="_x0000_i1036">>><img src="/cache/referats/1963/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1037"> создаётся два, три илицелый каскад дефектов такого же типа.

          Есликристаллическая решётка облучается потоком тяжёлых частиц, то энергия, получаемаяатомом вещества, достигает больших значений, и вблизи конца пути первичновыбитого атома среднее расстояние между соударениями в плотноупакованных кристаллическихрешётках должно быть приблизительно равно среднему межатомному расстоянию. Вэтом случае атом на пути первично выбитого атома смещается со своего места иобразуется область сильного искажения, интерпретируемая как пик смещения.

          Приоблучении материалов нейтронами спектра реактора либо тяжёлыми частицами сбольшой энергией кристаллическая решётка испытывает огромное число элементарныхповреждений.

          Несмотряна отсутствие корректной теории, учитывающей коллективные процессы исовокупность взаимодействий в решётке, усреднённое число смещённых атомов можнооценить довольно точно с помощью очень простой модели, основанной напредставлении о парных столкновениях.

          Однойиз характеристик столкновения является энергия, передаваемая бомбардируемомуатому. В зависимости от геометрическихпараметровстолкновения (взаимного направления движения частицы  и колебания  атома)  она может   меняться  от нуля,   при

столкновениях под очень малымуглом, до максимальной величины <img src="/cache/referats/1963/image012.gif" v:shapes="_x0000_i1038"><img src="/cache/referats/1963/image013.gif" v:shapes="_x0000_i1039"> определяется соотношением

<img src="/cache/referats/1963/image015.gif" v:shapes="_x0000_i1040">

где Е и m – энергия и масса взаимодействующейбыстрой частицы; М –масса атома вещества.

          Дляэлектронов с высокой энергией (Е>> 1 МэВ) следует учитывать релятивистские эффекты. В этом случаепредыдущее выражение превращается в

<img src="/cache/referats/1963/image017.gif" v:shapes="_x0000_i1041">

          В случаестолкновения с тяжёлой частицей высокой энергии можно ожидать возникновениекаскада смещений. Среднее число атомных смещений рассчитывается в простейшемслучае по формуле

<img src="/cache/referats/1963/image019.gif" v:shapes="_x0000_i1042">

где <img src="/cache/referats/1963/image021.gif" v:shapes="_x0000_i1043">  — плотность потока ионизирующегоизлучения;t –время облучения; <img src="/cache/referats/1963/image023.gif" v:shapes="_x0000_i1044">число атомов в единице объема; σd1– сечение столкновений, вызывающихсмещения;<img src="/cache/referats/1963/image025.gif" v:shapes="_x0000_i1045">

<img src="/cache/referats/1963/image027.gif" v:shapes="_x0000_i1046"><img src="/cache/referats/1963/image029.gif" v:shapes="_x0000_i1047">

  <img src="/cache/referats/1963/image031.gif" v:shapes="_x0000_i1048">  — средняяэнергия, передаваемая атому быстрой частицей. Величина Еdзависит от направления смещенияотносительно кристаллографических осей кристалла, что связано с анизотропиейсил связи, а также  от природы сил связиатомов в решетке.

          Среднеечисло вторичных смещений

<img src="/cache/referats/1963/image033.gif" v:shapes="_x0000_i1049"> ,

где

f(nk) – функцияотносительного числа электронов, участвующих в ковалентной связи, на один атом,f(nc) – функция относительной концентрации свободных электронов наодин атом.

          Скоростьвозникновения радиационных дефектов

<img src="/cache/referats/1963/image035.gif" v:shapes="_x0000_i1050">

где

<img src="/cache/referats/1963/image037.gif" v:shapes="_x0000_i1051">  — сечение смещения.

          Помимоточечных дефектов и их конфигураций, в электронном газе кристаллической решеткиметалла возникают локальные возбуждения (наводимые как самими дефектами, так иизлучением), которые гипотетически могут оказать влияние на термодинамическиеконтакты системы, либо ее нескольких участков. Это, в свою очередь, может привестик увеличению наблюдаемой подвижности вновь образованных радиационных точечныхдефектов и существовавших до облучения дефектов кристаллического строения.Этим, отчасти, можно объяснить образование ассоциаций точечных дефектов в видепетель дислокации и кластеров под воздействием облучения даже в области низкихтемператур.

          Весь спектрдефектов, наблюдаемых в металлических твердых телах после облучения с помощьюметодов электронной и ионной микроскопии, образуется из первичных радиационныхдефектов – пар Френнеля – в результате их взаимодействия между собой и с существующимив материале дефектами кристаллического строения, а также под воздействиемлокальных возбуждений в электронной подсистеме кристаллической решетки,инициируемых после радиации.

          Рассмотренныеэффекты, возникающие при смещении атомов в каскаде столкновений обычно называютнарушениясмещения. Совершенно иной тип нарушений связан с примесными атомами, введеннымиили в результате превращений ядер мишени, или вследствие того, чтобомбардирующий ион тормозится в образце. Такие дефекты называются примесныминарушениями.

          Впервыепрактические проблемы примесного нарушения возникли при изучении материалов дляядерных реакторов. Было обнаружено, например, что металлический уран,облученный при температуре, несколько большей 500 оС,

существенно увеличивает свойобъем. Металлографическое исследование выявило в этом случае наличие в металлемелких пор, заполненных инертными газами. Инертные газы в большом количестве образуютсяв реакторе при делении урана.

          Всеэти нарушения очень сильно влияют на свойства материалов.

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ.

Немалые трудности возникают такжеи с захоронением радиоактивных отходов. Общепринятый подход к разработкематериалов для этих целей состоит из трех стадий:

1.<span Times New Roman"">       

2.<span Times New Roman"">       

3.<span Times New Roman"">       

Для первойстадии применялись и применяются боросиликатное стекло и боросиликатнаякерамика. Главное требование, предъявляемое к такой керамике – сильная поглощающаяспособность по отношению к ядерным частицам – нейтронам и <img src="/cache/referats/1963/image039.gif" v:shapes="_x0000_i1052">  — квантам. Из всех веществнаибольшей поглощающей способностью нейтронов обладают легкие элементы H, Li, B, но при поглощениинейтронов происходят ядерные реакции, результатом которых является вторичноеизлучение. По этой причине защитный материал должен содержать, наоборот,тяжелые элементы, главным образом свинец, поскольку поглощение  <img src="/cache/referats/1963/image039.gif" v:shapes="_x0000_i1053">

N=N0e-2d<span Times New Roman";mso-hansi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language: EN-US;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">a

,

где

N и N0– плотность <img src="/cache/referats/1963/image039.gif" v:shapes="_x0000_i1054">

d – плотность ослабляющеговещества;

<span Times New Roman";mso-hansi-font-family: «Times New Roman»;mso-char-type:symbol;mso-symbol-font-family:Symbol">a

— коэффициент поглощения.

      Применение чистого свинца оказываетсянецелесообразным из-за его значительной текучести под влиянием дажесобственного веса защитной кладки, состоящей из свинцовых кирпичей. Более эффективными<img src="/cache/referats/1963/image039.gif" v:shapes="_x0000_i1055">  — защитнымиматериалами являются PbOи более сложные оксиды типа 2PbO,PbSO4. Они обладают высокими плотностями, достаточно высокимирабочими температурами и технологичны в процессах изготовления порошка, припрессовании и спекании.Допрессования эти оксиды смешивают с борсодержащими веществами, например с В2О3,с карбидом бора В4С или с боратидами МеВО3 и боридамитипа МеВ или МеВ2какого-либометалла Ме, дающего, в свою очередь, низкий уровень вторичного <img src="/cache/referats/1963/image039.gif" v:shapes="_x0000_i1056">

Но керамика изборо — и свинцово-содержащих веществ имеет много недостатков. Основной из них –пониженная химическая стойкость. Следует отметить  еще более низкую стойкость остальных известныхи широко применяемых материалов, например бетонов различного состава. По этойпричине, в большинстве случаев, и бетоны, и борсодержащая керамика используютсяскорее на второй стадии в виде герметичных контейнеров. Для первой стадииобщепризнанно, что лишь борсодержащее стекло хорошо удерживает радиоактивныеотходы.

      Для второй стадии кроме рассмотренных вышекерамических материалов

испытываются и специальные сплавы,образующиеся в системах Рb-B,Pb-Li и сплавы на основе титана. Сам защитный материал изготовляется ввиде керамики, спеченной из порошков таких сплавов. Возможность ихпрактического применения можно выяснить только после глубокого изучения ихустойчивости к коррозии в условиях облучения <img src="/cache/referats/1963/image039.gif" v:shapes="_x0000_i1057">оС, около 100 лет. Крометого, нужно добиться высокой механической прочности предлагаемых сплавов, воизбежание повреждения контейнеров с радиоактивными отходами при перевозке кместам захоронения.

ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА.

1.<span Times New Roman"">    

: состояние, проблемы, перспективы. М. “МИСИС”. 1995 г.

2.<span Times New Roman"">    

3.<span Times New Roman"">    

 

 

еще рефераты
Еще работы по физике