第五章 辐照效应。

第五章辐照效应

辐照损伤是指材料受载能粒子轰击后产生的点缺陷和缺陷团及其演化的离位峰、层错、位错环、贫原子区和微空洞以及析出的新相等。这些缺陷引起材料性能的宏观变化，称为辐照效应。

辐照效应因危及反应堆安全，深受反应堆设计、制造和运行人员的关注，并是反应堆材料研究的重要内容。辐照效应包含了冶金与辐照的双重影响，即在原有的成分、组织和工艺对材料性能影响的基础上又增加了辐照产生的缺陷影响，所以是一个涉及面比较广的多学科问题。其理论比较复杂、模型和假设也比较多。其中有的已得到证实，有的尚处于假设、推论和研究阶段。虽然试验表明，辐照对材料性能的影响至今还没有确切的定量规律，但辐照效应与辐照损伤间存在的定性趋势对实践仍有较大的指导意义。

5.1 辐照损伤

1. 反应堆结构材料的辐照损伤类型

反应堆中射线的种类很多，也很强，但对金属材料而言，主要影响来自快中子，而α，β，和γ的影响则较小。结构材料在反应堆内受中子辐照后主要产生以下几种效应：

1) 电离效应：这是指反应堆内产生的带电粒子和快中子撞出的高能离位原子与靶原子轨道上的电子发生碰撞，而使其跳离轨道的电离现象。从金属键特征可知，电离时原子外层轨道上丢失的电子，很快被金属中共有的电子所补充，所以电离效应对金属性能影响不大。但对高分子材料，电离破坏了它的分子键，故对其性能变化的影响较大。

2) 嬗变：受撞原子核吸收一个中子变成异质原子的核

反应。即中子被靶核吸收后，生成一个新核并放出质子或α带电粒子。例如：

嬗变反应对含硼控制材料有影响，其它材料因热中子或在低注量下引起的嬗变反应较少，对性能影响不大。高注量（如：>1023 n/m 2）的快中子对不锈钢影响明显，其组成元素大多都通过（n,α)和（n,p）反应产生He 和H ，产生辐照脆性。

He

Li n B 42731010

5+→+H N n O 1116

7168

+→+

3) 离位效应：碰撞时，若中子传递给原子的能量足够大，原子将脱离点阵节点而留下一个空位。当离位原子停止运动而不能跳回原位时，便停留在晶格间隙之中形成间隙原子。此间隙原子和它留下的空位合称为Frenkel对缺陷。堆内快中子引起的离位效应会产生大量初级离位原子，随之又产生级联碰撞，伴生许多点缺陷，它们的变化行为和聚集形态是引起结构材料辐照效应的主要原因。

4) 离位峰中的相变：有序合金在辐照时转变为无序相或非晶态相（原子排列混乱、无特定点阵间隙的密集聚合体），这是在高能快中子或高能离子辐照下，产生液态似离位峰快速冷却的结果。无序或非晶态区被局部淬火保存下来，随着注量增加，这样的区域逐渐扩大，直到整个样品成为无序或非晶态。

Frenkel对缺陷

离开自己所处的点阵平衡位置，留下一个空位，而它本身在离空位一定距离（与晶体方向有关）的间隙处停留下来，并与原空位共同形成Frenkel对缺陷。如果T值相当大，被撞原子不但自己发生离位，它还能撞离其它原子，产生新的Frenkel对，

直到能量耗至小于E

d 为止。E

d

是被撞原子离开其平衡位置

时，所需最低临界能量值。这个临界值称为点阵中原子的离位阈能。E

d

值的大小相当于形成一个Frenkel对缺陷的能量。除贵金属外，一般常用金属的离位阈能约为25eV。

2）入射粒子阈能:

反之，根据离位阈能E

d

可算出使晶格原子离位的入射粒子所应具有的最低能量，即引起原子离位的入射粒子阈能。

?例如设Ed≈25eV代入上式中的T，即可求得如表6-1所示的各种人射粒子阈能值。显然，从该表中的数值看出，使质量数为56的Fe原子离位所需的人射中子阈能为325eV。

3. 级联碰撞与撞出损伤函数

1) 级联碰撞：

以平均能量为2MeV 的堆内中于轰击铁原子后，前者传

递给后者的为0.14MeV 。此值远远大于铁约25eV 的离位阈

能，也大大超过为使铁原子离位所需的325eV 的人射中子阈

能。因此这个最初离位的原子，如同人射的高能粒子，还

可连续地和点阵中其他原子发生碰撞，构成二次、三次以

至更多的次生离位原子。人们把最初第一次离位子称为初

级离位原子，简称PKA ，并把PKA 和点阵原子碰撞，继续

产生离位原子的过称为级联碰撞（Cascade Process ）。

2) 损伤函数：

由一个PKA 最终撞出的离位原子数目（Frenkel对缺陷

数），称为损伤函数，用表示。

)(E ν

4. 离位峰和热峰

1) 离位峰

离位峰是描绘级联碰撞结束时的Frenkel缺陷分布模型，它是由Brinkman提出的。他认为PKA的高密度碰撞会驱使沿途碰撞链上的原子向外运动，因此在级联碰撞区域中心附近的缺陷，主要是空位，而间隙原子则分布在中心空位区的周边外围。这种空位和间隙原子相互分离的现象称为离位峰。

当快中子与原子发生碰撞时，如果PKA能量很大，那么将产生大量位移原子。所有这些位移原子都是在第一次受碰撞原子周围的很小体积内生成的。在这种情况下，就不能再将此种原子的仅够看成是个别的孤立现象，因为所有的空位都已联结在一起。被击出的次级位移原子将沿垂直于初级原子径迹的方向继续运动几个原子的距离，然后停留在间隙位置而形成一个间隙原子壳，这时就要考虑此极小体积所获得的巨大能量在短时间内会变为热能，并使间隙原子壳发生熔化。在此熔融区内原子重新排列。由于接着而来的迅速冷却，这些原子练结在畸变后的位置上。这时就出现了包含大量空穴和间陈原子的离位峰。

金属点阵中存在大量的空穴和间隙原子，会大大增加金属的硬度，并降低它的延性。许多材料（如石墨、金属铀）的体积会明显增加。在各向异性的晶体中，会发生定向生长和严重畸变。

初级离位原子路径

2) 热峰

即局部微区温度急升骤降的现象。从离位峰模型不难理解产生热峰的原因。因离位峰外层的间隙原子比较集中，它

们的剩余能虽无力（低于E

d ）再使其他原子离位，但会引起

原子热振动（热点）。显然，在间隙原子密集处就会使该区能量偏高，导致该微区的温度骤然升到很高温度、甚至达到熔点，但因它的体积很小，很快又被周围未受扰动的原子冷却下来，从而形成热峰。

此过程相当于使体积不大的物质受到了快速加热和淬火作用。

形成热峰区时，热峰区温度局部升高会引起金属膨胀，并在热峰区周围产生应力，会产生塑性变形。当热峰冷却后，将留下永久的残余形变。由此可见热峰的产生也将导致材料物理和机械性能等变化。

5. 沟道效应和聚焦碰撞

1) 沟道效应

离位原子沿点阵密排晶向围成的间隙腔入射时，可使级联碰撞距离比较长的现象，并易出现在级联碰撞的高能阶段，而且不产生大量点缺陷。

在fcc点阵中，晶向族上各列原子排列最密，且四条此类原子列所围成的通断面相互间的距离，因此由原子列围成的间隙腔通道是fcc 点阵中有利于入射粒子穿行较长距离的最大隧道。

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110

级联碰撞时，每级离位原子的散射角逐级减小，并按某一晶向（多为密排向）以准直线方式传递能量和输送原子的碰撞过程。聚焦与沟道是相互补充的碰撞行为，即沟道效应多发生在PKA串级链的高能阶段，而聚焦

5.2 辐照效应

1. 辐照产生的缺陷

为了与非辐照的晶体缺陷相区别，人们把辐照产生的贫原子区、微空洞、层错四面体和位错环等，称为辐照缺陷。辐照缺陷都是过饱和辐照点缺陷的聚集演化产物，本质上也是晶体缺陷。

1) 贫原子区：级联碰撞产生的离位峰中心区域的缺陷，主要是空位，从而产生贫原子区缺陷。贫原子区可引起材料的硬化效应，是由位错通过贫原子区的运动特点决定的，硬化效应随温度上升而降低。

2) 微空洞：当由辐照产生的空位处于过剩状态时，这些空位在三维空间聚集，产生空洞，引起体积肿胀。晶体中的位错、晶界、析出相等都产生畸变区，能吸收点缺陷。位错通过它的应变场与点缺陷产生的应力场的交互作用能，可产生相互作用的吸引力，吸引点缺陷向位错聚集，使晶体应变能降低。间隙原子迁移能小，且晶格畸变比空位大，这使位错对间隙原子的引力较强，或俘获半径较大，因此，结果使得空位的浓度比间隙原子高，形成过剩的空位，过剩空位的三维聚集就形成了空洞。

辐照形成的空位三维聚集成空洞

316不锈钢经辐照后产生的空洞(<100 nm)

Irradiated to 60dpa at 600o C

辐照损伤程度：单位体积中位移原子与原子总数之比定义为原子位移（dpa）。1dpa ：晶格中的每个原子平均位移一次时，产生的辐照损伤。