chapter6 辐照效应 part1
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辐射生物效应课件
non various
positive various
non 3 x 108 m/s
non
non 3 x 108
m/s
5
6
（5）为什么对辐射（电离辐射）要进行防护？
电
离
、
修
激
复
发
辐射 原子、分子 组织、器官
确定性效应
机体损伤
随机性效应
7
“事实上，在人类身体里就可以找到天 然放射性核素。我们的身体平均每分钟 要经历几十万次的核衰变。”
（1）早期辐射损伤认识时期 （又称职业性辐射损伤时期）
时间：发现X射线（1895年）～1930年代 特点：对辐射可能造成的损伤认识不足 损伤对象：
①X射线球的制造者和应用X射线的技术人员； ②从事放射性物质研究的科学家； ③铀矿工人及用含镭夜光涂料的操作女工。
12
损伤特点： ①外照射引起的急性体表损伤； ②氡及其子体内照射引起的肺癌； ③镭内照射引起的骨肿瘤。 典型事例： ①X射线被发现一个月，X射线的制造者
Grubbe的手发生了“特异性皮炎”； ②1896年，Edison和助手Morton自身试验，
眼部受照数小时后，眼痛，结膜炎；
13
典型事例：
③1896年，Danil报告了X射线可导致秃头；
④1901年，Becquerel和Curie分别讲述了自己的经历；
⑤1911年，54名医学放射性工作者死于恶性疾病；
辐射生物效应
1
第一节 前 言
6.1.1 辐射防护的含义 6.1.2 辐射防护简史 6.1.3 辐射防护的基本任务和目的 6.1.4 辐射防护的主要内容
2
6.1.1 辐射防护的含义
（1）什么是辐射？
positive various
non 3 x 108 m/s
non
non 3 x 108
m/s
5
6
（5）为什么对辐射（电离辐射）要进行防护？
电
离
、
修
激
复
发
辐射 原子、分子 组织、器官
确定性效应
机体损伤
随机性效应
7
“事实上，在人类身体里就可以找到天 然放射性核素。我们的身体平均每分钟 要经历几十万次的核衰变。”
（1）早期辐射损伤认识时期 （又称职业性辐射损伤时期）
时间：发现X射线（1895年）～1930年代 特点：对辐射可能造成的损伤认识不足 损伤对象：
①X射线球的制造者和应用X射线的技术人员； ②从事放射性物质研究的科学家； ③铀矿工人及用含镭夜光涂料的操作女工。
12
损伤特点： ①外照射引起的急性体表损伤； ②氡及其子体内照射引起的肺癌； ③镭内照射引起的骨肿瘤。 典型事例： ①X射线被发现一个月，X射线的制造者
Grubbe的手发生了“特异性皮炎”； ②1896年，Edison和助手Morton自身试验，
眼部受照数小时后，眼痛，结膜炎；
13
典型事例：
③1896年，Danil报告了X射线可导致秃头；
④1901年，Becquerel和Curie分别讲述了自己的经历；
⑤1911年，54名医学放射性工作者死于恶性疾病；
辐射生物效应
1
第一节 前 言
6.1.1 辐射防护的含义 6.1.2 辐射防护简史 6.1.3 辐射防护的基本任务和目的 6.1.4 辐射防护的主要内容
2
6.1.1 辐射防护的含义
（1）什么是辐射？
(优选)核材料的辐照效应
所致。
二铁合金的粒子辐照效应
1 辐照对12Cr-ODS钢氧化物稳定性影响 利用氢离子（H+）束和电子（e-）束，双束（H+/e-）同时 辐照用化学浸润法制备的新型12Cr-ODS铁素体钢，研究辐 照对12Cr-ODS钢氧化物稳定性的影响。对不同辐照剂量下 原位观察辐照区内氧化物形貌的变化过程发现：辐照前和 15dpa辐照后约10-20nm氧化物的尺寸并没有明显变化，而氧 化物周围出现微小高密度空洞并没有影响氧化物的稳定性。 当辐照温度升高至823K时，大尺寸的氧化物Y2O3与基体的 相界面变得不规则，但氧化物颗粒尺寸并不发生明显变化。 实 弥验散结强果化表相明Y2：O3弥与散铁强素化体相相Y界2O面3尺变寸得稳粗定糙，与无氢明的显存溶在解，现促象进。 铁素体内空位向Y2O3氧化物扩散有关。
离子辐照前后实验材料的显微组织
3.450 ℃高能电子辐照对CLAM 钢微观结构 的影响
为了研究低活化马氏体CLAM 钢的抗辐照肿胀性 能,在450 ℃下对CLAM 钢进行大剂量高能电子辐 照的原位动态实验. 利用超高压透射电子显微镜观 察发现,CLAM 钢中产生了大量的间隙原子型位错 环和多面体形状的辐照空洞. 分析了它们的形核和 长大规律以及相关机制. 计算表明,CLAM 钢在高 能电子辐照下的最大肿胀率为0.26 % ,具有较好 的抗辐照肿胀性能.
理论计算辐照环境下纳米晶材料的结构变化
A 传统晶态合金
B 纳米晶材料
1 Bai XM, etc., Science, 327, 1631 (2010);
2 Ackland G, Science, 327, 1587 (2010)
一 锆合金的辐照效应
❖ 1. 单位体量材料积中位移原子数与原子总数之比 定义为原子位移（dpa），通常以其值来衡的辐 照损伤程度，在典型轻水堆电站中锆合金包壳每 一次循环下所受到的辐照损伤为20(dpa)，约相当 于10-7dpa/s,可见很严重。
材料辐照效应与核电材料--内含精选动图
(3)级联碰撞 氦气泡、氢气泡
1、辐照缺陷的产生过程
氦是惰性气体，不易溶于固体材料，因此一旦 金属中引入氦后，氦将与金属中点阵原子和缺 陷发生相互作用，最终导致金属微观结构和宏 观性质发生变化。
氦的存在形态有: 1)单个原子及原子团 2)氦泡
(3)级联碰撞 氦气泡、氢气泡
1、辐照缺陷的产生过程
氦泡形成后，可通过三种方式继续长大:
A、核电用钢
双相不锈钢
铁素体-奥氏体型双相不锈钢发展思路： 奥氏体不锈钢抗应力腐蚀性能较低 而铁素体不锈钢抗晶间腐蚀能差
A、核电用钢
双相不锈钢
I、铁素体分布在奥氏体中，提 高强度，增加导热性能，降低 焊接热裂纹倾向。塑性较高的 奥氏体降低了铁素体的脆性。
II、抗晶间腐蚀的原因。 铁素体钢的晶间腐蚀是由于在 晶界析出含Cr化合物Cr23C6。 双相钢中，C富集在奥氏体中， Cr富集在铁素体中。所以C和 Cr相遇的可能性明显降低， Cr23C6形成量减小，不会链接 成网状。
金属锆的物理性质
塑性比较差
原子序数 原子量
密度(g/cm3) 熔点(℃) 沸点(℃)
热膨胀系数(1/℃) 导热率(W/m℃)
40 91.22
6.5 1845 3852 4.9×10-6 16.7 (125℃)
晶体结构
热中子吸收 截面(靶)
<862℃ 密排六方
>862℃ 体心立方
a=0.323nm a=0.361nm
1)吸收新引入的或者热迁移来的氦原子或吸收空位。 2)迁移-合并机制。 3) Ostwald熟化长大。在热平衡时，氦泡的压强与大小有 关，小氦泡的内部压强小，大氦泡内压强大，因此不同尺 寸的氦泡之间存在着氦原子浓度梯度，这种浓度梯度使得 小氦泡的氦原子重新溶解而扩散到大泡，导致小的氦泡消 失，大的氦泡长大。
1、辐照缺陷的产生过程
氦是惰性气体，不易溶于固体材料，因此一旦 金属中引入氦后，氦将与金属中点阵原子和缺 陷发生相互作用，最终导致金属微观结构和宏 观性质发生变化。
氦的存在形态有: 1)单个原子及原子团 2)氦泡
(3)级联碰撞 氦气泡、氢气泡
1、辐照缺陷的产生过程
氦泡形成后，可通过三种方式继续长大:
A、核电用钢
双相不锈钢
铁素体-奥氏体型双相不锈钢发展思路： 奥氏体不锈钢抗应力腐蚀性能较低 而铁素体不锈钢抗晶间腐蚀能差
A、核电用钢
双相不锈钢
I、铁素体分布在奥氏体中，提 高强度，增加导热性能，降低 焊接热裂纹倾向。塑性较高的 奥氏体降低了铁素体的脆性。
II、抗晶间腐蚀的原因。 铁素体钢的晶间腐蚀是由于在 晶界析出含Cr化合物Cr23C6。 双相钢中，C富集在奥氏体中， Cr富集在铁素体中。所以C和 Cr相遇的可能性明显降低， Cr23C6形成量减小，不会链接 成网状。
金属锆的物理性质
塑性比较差
原子序数 原子量
密度(g/cm3) 熔点(℃) 沸点(℃)
热膨胀系数(1/℃) 导热率(W/m℃)
40 91.22
6.5 1845 3852 4.9×10-6 16.7 (125℃)
晶体结构
热中子吸收 截面(靶)
<862℃ 密排六方
>862℃ 体心立方
a=0.323nm a=0.361nm
1)吸收新引入的或者热迁移来的氦原子或吸收空位。 2)迁移-合并机制。 3) Ostwald熟化长大。在热平衡时，氦泡的压强与大小有 关，小氦泡的内部压强小，大氦泡内压强大，因此不同尺 寸的氦泡之间存在着氦原子浓度梯度，这种浓度梯度使得 小氦泡的氦原子重新溶解而扩散到大泡，导致小的氦泡消 失，大的氦泡长大。
第七讲 核材料的辐照效应讲解
2. 要使锆原子位移就必须向其提供足够的能量， 这一位移能量阈值Ed为25~27ev.而对于1Mev的 入射中子，锆原子接受的反冲能量平均值为 20kev，其最大值可达40kev，显然都远高于锆原 子位移所需的能量，从而出现初级位移原子。
3. 在（2~3）×1019n/cm2的注量后观察到了 空位环和空位间隙，这时产生的空位环主要 是<a>型1/3<1120>环，空位环和间隙环大体 上均衡发展是锆合金的特点，其比例取决于 辐照温度和注量，注量达到 (3~8)×1021n/cm2后还产生<c>型1/6<2023> 环，这只是空位环。与不锈钢不同，中子辐 照下锆合金中未发现空洞的存在。
Zr-4合金的中子辐照生长
对由两厂分别生产的Zr-4包壳管样品在重水
堆内进行中子辐照试验, 辐照温度为610K, 快中
子注量为4.2×1020/cm2(E>1.0MeV)。试验结
果表明, Zr-4管的辐照生长应变随辐照中子注量
增加呈线性增加。两厂生产的Zr-4包壳管的生
长应变可用
表达式描述,
两者的差异可能是合金元素和杂质的综合影响
辐照对拉伸性能的影响
中子辐照铝的微观结构变化
铝的中子辐照实验是与硅的中子辐照同 时进行的。中子辐照时, 纯铝箔(纯度为99. 999% )包裹着硅。中子辐照实验在核反应 堆中进行, 辐照剂量为1015 —1016 neutron / cm2。辐照试样取出后, 放置一定时间, 等 到放射性降低后再对试样进行分析。利用 扫描电子显微镜( SEM) 、透射电子显微镜 ( TEM)和纳米显微力学硬度计对中子辐照 后的纯铝试样进行分析。
随着注量提高到4×1026n/m2，牌号1100技术纯铝不断 提高着强度极限和屈服极限，但相对延伸率仍然完全没变化。 甚至在高注量辐照下，也不会使铝明显脆化。加工变形铝的 特点是，辐照不但提高了强度性能，同时还保持了足够高的 塑性，所以铝的性能辐照后可能比辐照前要好
3. 在（2~3）×1019n/cm2的注量后观察到了 空位环和空位间隙，这时产生的空位环主要 是<a>型1/3<1120>环，空位环和间隙环大体 上均衡发展是锆合金的特点，其比例取决于 辐照温度和注量，注量达到 (3~8)×1021n/cm2后还产生<c>型1/6<2023> 环，这只是空位环。与不锈钢不同，中子辐 照下锆合金中未发现空洞的存在。
Zr-4合金的中子辐照生长
对由两厂分别生产的Zr-4包壳管样品在重水
堆内进行中子辐照试验, 辐照温度为610K, 快中
子注量为4.2×1020/cm2(E>1.0MeV)。试验结
果表明, Zr-4管的辐照生长应变随辐照中子注量
增加呈线性增加。两厂生产的Zr-4包壳管的生
长应变可用
表达式描述,
两者的差异可能是合金元素和杂质的综合影响
辐照对拉伸性能的影响
中子辐照铝的微观结构变化
铝的中子辐照实验是与硅的中子辐照同 时进行的。中子辐照时, 纯铝箔(纯度为99. 999% )包裹着硅。中子辐照实验在核反应 堆中进行, 辐照剂量为1015 —1016 neutron / cm2。辐照试样取出后, 放置一定时间, 等 到放射性降低后再对试样进行分析。利用 扫描电子显微镜( SEM) 、透射电子显微镜 ( TEM)和纳米显微力学硬度计对中子辐照 后的纯铝试样进行分析。
随着注量提高到4×1026n/m2，牌号1100技术纯铝不断 提高着强度极限和屈服极限，但相对延伸率仍然完全没变化。 甚至在高注量辐照下，也不会使铝明显脆化。加工变形铝的 特点是，辐照不但提高了强度性能，同时还保持了足够高的 塑性，所以铝的性能辐照后可能比辐照前要好
核材料辐照效应
核材料辐照效应
第四章
主讲：黄群英
FDS 团队
中国科学技术大学 核科学技术学院 中国科学院 等离子体物理研究所
E-mail: qyhuang@
裂变堆结构与材料
堆芯 堆 内构件 控制
棒 反射层 压力容器
裂变堆原理图
压水堆结构图
聚变堆结构与材料
严酷 服 役环境
》 离位损伤的计算机模拟
模拟和定量计算材料中的级联碰撞和离位原子在材料中的分布形态。
右图为约500个原子的铜单晶点 阵原子的受撞模拟：
图a：级联碰撞过程 图b：缺陷（离位原子和空位） 的分布
注意，本章中离位损伤的计算均未考虑缺陷的回复（如间隙原子与邻近空位的复合）
离位峰和热峰
》 离位峰
Brinkman提出描绘级联碰撞结束时的Frenkel缺 陷分布模型：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。
第一节 辐照原理
1 碰撞与离位 碰撞Hale Waihona Puke 能量传递离位阈能和入射粒子阈能
2 级联与损伤函数 3 离位损伤剂量 离位原子数 计
算机模拟
4 微观结构 离位峰与热峰 沟道
效应和聚焦碰撞 Seeger对离位峰 的修正
碰撞与能量传递
先不考虑晶体效应和原子间的作用势，仅从经 典力学计算。设质量为M1和能量为E0的中子 与质量为 M2的靶原子发生碰撞。
•原子将脱离点阵节点而留下空位，离位原子而不能跳回原位时， 停留在品格间隙之中形成 间隙原子。间隙原子和留下的空位合称 为Frenkel对缺陷，这种损伤类型成为离位。
第四章
主讲：黄群英
FDS 团队
中国科学技术大学 核科学技术学院 中国科学院 等离子体物理研究所
E-mail: qyhuang@
裂变堆结构与材料
堆芯 堆 内构件 控制
棒 反射层 压力容器
裂变堆原理图
压水堆结构图
聚变堆结构与材料
严酷 服 役环境
》 离位损伤的计算机模拟
模拟和定量计算材料中的级联碰撞和离位原子在材料中的分布形态。
右图为约500个原子的铜单晶点 阵原子的受撞模拟：
图a：级联碰撞过程 图b：缺陷（离位原子和空位） 的分布
注意，本章中离位损伤的计算均未考虑缺陷的回复（如间隙原子与邻近空位的复合）
离位峰和热峰
》 离位峰
Brinkman提出描绘级联碰撞结束时的Frenkel缺 陷分布模型：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。
第一节 辐照原理
1 碰撞与离位 碰撞Hale Waihona Puke 能量传递离位阈能和入射粒子阈能
2 级联与损伤函数 3 离位损伤剂量 离位原子数 计
算机模拟
4 微观结构 离位峰与热峰 沟道
效应和聚焦碰撞 Seeger对离位峰 的修正
碰撞与能量传递
先不考虑晶体效应和原子间的作用势，仅从经 典力学计算。设质量为M1和能量为E0的中子 与质量为 M2的靶原子发生碰撞。
•原子将脱离点阵节点而留下空位，离位原子而不能跳回原位时， 停留在品格间隙之中形成 间隙原子。间隙原子和留下的空位合称 为Frenkel对缺陷，这种损伤类型成为离位。
核材料的辐照效应PPT
CLAM 钢在45ห้องสมุดไป่ตู้ ℃电子辐照时辐照空洞得变化、 (a) 0 dpa ; (b) 1、4 dpa ; (c) 3、6 dpa ; (d) 10 dpa ; (e) 11、5 dpa ; (f) 13、2 dpa ; (g) 13、8 dpa ; (h) 15、6 dpa
从图中可以瞧到,随着辐照损伤量得增加,产 生得空洞越来越多,并且尺寸也越来越大、 辐照损伤量达到1、4 dpa 时,开始观察到空 洞得存在,这时空洞得尺寸很小、数量有限; 当辐照损伤量达到3、6 dpa 时,空洞得尺寸 明显长大,数量也在增加; 在图 c 中还可以瞧 到有新得空洞产生;继续增加辐照剂量,空洞 得数量与直径都继续增加,当辐照损伤量达 到10 dpa 时,可以瞧到空洞得数量较多、
❖ 2、 要使锆原子位移就必须向其提供足够得能量, 这一位移能量阈值Ed为25~27ev、而对于1Mev得 入射中子,锆原子接受得反冲能量平均值为20kev, 其最大值可达40kev,显然都远高于锆原子位移所 需得能量,从而出现初级位移原子。
❖ 3、 在(2~3)×1019n/cm2得注量后观察到了空 位环与空位间隙,这时产生得空位环主要就是 <a>型1/3<1120>环,空位环与间隙环大体上 均衡发展就是锆合金得特点,其比例取决于辐 照温度与注量,注量达到(3~8)×1021n/cm2后 还产生<c>型1/6<2023>环,这只就是空位环。 与不锈钢不同,中子辐照下锆合金中未发现空 洞得存在。
辐照对拉伸性能得影响
辐照前12Cr-ODS钢组织形貌
723K双束辐照后氧化物形貌变化
823K双束辐照后氧化物形貌变化
2低活化铁素体/ 马氏体钢离子辐照后得微观 结构变化
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。
HeLi n B 427310105+→+H N n O 11167168+→+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。
核电厂材料_2_第四章材料的辐照效应
• 热峰: 一个快中子会经历几次弹性碰撞，速度下降到不可 能再造成原子位移时，剩余的能量会以振动的形式消散在 一个很小的范围内，形成一个热峰。局部温度可达几千度。
离位峰模型
辐照效应
• 金属点阵中存在大量的空位和间隙原子会大大增 加金属的硬度， 降低它的延性。许多材料的体积 会明显增加（如石墨、金属铀）。在各向异性的 晶体中会发生定向生长和严重畸变。
辐照效应
• 位移峰: 一个高能粒子击出的级联碰撞原子趋向于积聚在 粒子运动的初级方向上，影响的区域称为位移峰，其长度 约10nm。被击出的初级位移原子将沿垂直于初级原子径 迹方向，继续运动几个原子的距离，然后停留在间隙位置 上，形成一个间隙原子壳。
这个极小体积所获得的能量在短时间内转变为热能，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使原子冻结在畸变后的位置上，出 现了包含大量空位和间隙原子的离位峰。
材料的辐照效应
• 2）辐照肿胀 辐照导致材料中产生大量的缺陷，缺陷聚集后产生空
位位错环和间隙位错环。空位位错环不易坍塌，因为核反 应产生的氦气易聚集在空位位错环内，而使其形成三维的 空洞造成体积膨胀；间隙位错环坍塌后在原晶体中多了一 个原子面，使体积增加。因此辐照导致材料的肿胀。
• 辐照肿胀与温度有关。如不锈钢大约在0.3-0.5Tm下辐 照肿胀量最大（当中子通量达1027n/m2时，肿胀可达 15%）。 低于此温度，空位、间隙原子可动性不大，被 冻结在材料中，高于此温度，缺陷复合的机会增加，肿胀 量就会减少。
– 核转化生成异种原子的反应（n, α), ( Nhomakorabea, p)反应
例
10 5
B
n
37
Li 24
He
离位峰模型
辐照效应
• 金属点阵中存在大量的空位和间隙原子会大大增 加金属的硬度， 降低它的延性。许多材料的体积 会明显增加（如石墨、金属铀）。在各向异性的 晶体中会发生定向生长和严重畸变。
辐照效应
• 位移峰: 一个高能粒子击出的级联碰撞原子趋向于积聚在 粒子运动的初级方向上，影响的区域称为位移峰，其长度 约10nm。被击出的初级位移原子将沿垂直于初级原子径 迹方向，继续运动几个原子的距离，然后停留在间隙位置 上，形成一个间隙原子壳。
这个极小体积所获得的能量在短时间内转变为热能，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使原子冻结在畸变后的位置上，出 现了包含大量空位和间隙原子的离位峰。
材料的辐照效应
• 2）辐照肿胀 辐照导致材料中产生大量的缺陷，缺陷聚集后产生空
位位错环和间隙位错环。空位位错环不易坍塌，因为核反 应产生的氦气易聚集在空位位错环内，而使其形成三维的 空洞造成体积膨胀；间隙位错环坍塌后在原晶体中多了一 个原子面，使体积增加。因此辐照导致材料的肿胀。
• 辐照肿胀与温度有关。如不锈钢大约在0.3-0.5Tm下辐 照肿胀量最大（当中子通量达1027n/m2时，肿胀可达 15%）。 低于此温度，空位、间隙原子可动性不大，被 冻结在材料中，高于此温度，缺陷复合的机会增加，肿胀 量就会减少。
– 核转化生成异种原子的反应（n, α), ( Nhomakorabea, p)反应
例
10 5
B
n
37
Li 24
He
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因此，这个最初离位的原子，如同入射的高能粒子 还可以连续地和其它原子发生碰撞，构成二次、 三次以至更多次的碰撞
• PKA：快中子最初撞出 的第一次离位原子，叫 初级离位原子 （Primary knock-on atoms）
PKA PKA
辐照效应和辐照损伤
辐照损伤 级联碰撞与撞出损伤函数
• 级联碰撞（cascade process）：最初被撞离位原子（PKA)的 能量远大于离位阈能，可连续地和点阵中其他原子发生碰 撞，构成二次、三次以至更多次生离位原子，称为级联碰 撞 • 损伤函数（E）：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。 损伤函数同辐照硬化和脆化的关系尚不明确，但同空洞长 大及辐照蠕变有较好的关系。因此损伤函数对评估中子辐照 产生的离位原子数及其随后的变化行为很重要，它能决定辐 照缺陷的数量、分布形态以及辐照效应大小 因此，对辐照损伤函数（E）的计算很重要
200
1263 1.1106 325 28
辐照效应和辐照损伤
辐照损伤
级联碰撞与撞出损伤函数 已知裂变中子平均能量为2MeV，它轰击铁原子，后者获得的能量 约为0.138MeV，此值远远大于铁的离位阈能（Ed=25eV），也远远 超过为使铁原子离位所需要的325eV的入射中子能量
4M1 M2 T max= E0 = 0.069E0 2 (M1 + M2)
辐照效应和辐照损伤
辐照过程的碰撞问题 • 坐标系的选择： 在对二体碰撞进行动力学分析时，可供选择的坐标系 有实验室坐标系、相对运动坐标系以及质心坐标系。在研 究中子对靶原子的碰撞中，主要采用实验室坐标系和质心 坐标系。
实验室坐标系：以实验室为静止参照物， 碰撞前靶原子处于静止状态，受到速度为 v1的入射粒子碰撞后，靶原子核入射粒子 的运动状态均发生变化 质心坐标系：以参加碰撞的两个物体的质 心为静止参照物，在该坐标系中，两个物 体分别以w1、w2相向运动，碰撞后又分别 以w1’、w2’背向运动
China Institute of Atomic Energy, 102413, Beijing, China
辐照效应和辐照损伤
辐照效应 • 核反应堆结构材料的一个显著特点就是会受到各种 射线的辐照，这是它与其它工业材料的最大不同之 处。
• 一般冶金学从热力学平衡的角度研究材料的变化， 所涉及的能量只有几个乃至几十个eV
辐照效应和辐照损伤
辐照效应 辐照的间接效应： 材料还会因辐照产生一些间接效应，其中最重要的是 辐照对材料的腐蚀稳定性的影响 • 腐蚀介质的成分由于辐照分解而发生变化；
比如：水的辐射分解--水在反应堆条件下会产生辐射分解： 游离氧、水合电子、氢离子
• 材料表面的保护性氧化膜因辐照出现损伤； • 材料表面参与化学反应的原子还会从辐照射线获得 能量 这些现象往往会加快材料的腐蚀过程
T=
2M1 M2 E0（1-cos) 2 (M1 + M2)
(1)
式中，为质心散射角
核工业研究生院
CIAE，龙斌
辐照效应和辐照损伤
• 正碰（二体迎头正碰）：当=180o时，靶原子将从中子 的碰撞中获得最大的能量Tmax
4M1 M2 T max= E0 = E0 2 (M1 + M2)
235 92 235 92 87 U n 147 La 57 35 Br 2n 139 59 94 38
U n Xe Sr 3n
辐照效应和辐照损伤
辐照效应 辐照损伤（irradiation damage)-类型 高能射线对材料产生的辐照损伤效应，按其作用时间 的长短，可分为三类 • 过渡效应（电离效应）：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，而使其脱离轨道的电离现象。
铁原子的离位阈能：25eV
结构材料的辐照效应主要是由高能中子引起一些原子离开点阵位 臵而产生的缺陷造成的
辐照效应和辐照损伤
辐照过程的碰撞问题 碰撞过程是一个非常复杂的问题，简化为：
• 二体碰撞：忽略原子之间的相互作用，只考虑直接参与碰撞 的两个物体，即入射粒子和被撞的靶原子，忽略材料中其它 相邻原子对这一碰撞的影响。 • 原子碰撞和原子核碰撞： 原子的尺度等于其轨道电子产生的电子云的尺度（10-8cm）， 原子核的尺度只有10-12cm 入射粒子先与靶原子的电子云碰撞，穿过电子云后才能与靶 原子核碰撞，前者称为原子碰撞（或电子碰撞）；后者称为原 子核碰撞 入射离子和电子带电荷，与靶原子发生原子碰撞—激发 （电离态）；因此入射能量的大部分都消耗于原子碰撞，只有 很少一部分作用在原子核碰撞上。 入射中子本身不带电荷，辐照时主要是原子核碰撞
取M2=56, =0.069
产生离位的最低轰击能量（设Ed = 25eV）
静Hale Waihona Puke 原子的原子量中子，质子(eV) 电子，射线(eV) 粒子 (eV) 核裂片，质量数为 100 (eV)
10
76 1.0103 31 76
50
325 0.41106 91 28
100
638 0.68106 169 25
辐照效应和辐照损伤
辐照效应 射线的种类
• 中性粒子：中子、射线（光子） • 带电粒子：粒子（He核）、质子、电子（包括） • 高能原子和离子：裂变产物、一次碰撞反冲原子以及加速的 离子
两种主要的辐射 • 对于结构材料：射线、射线和射线对金属的损 伤可忽略，辐照损伤主要来源于中子的辐照； 射线 对高分子材料有损伤作用，会导致诸如电缆的老化； • 对于燃料材料：其损伤主要来源于裂变产物
金属材料中的过渡效应是一种暂态效应，而可逆效应则是一种累积效应，它 与射线的辐照剂量有密切的关系
辐照效应和辐照损伤
辐照效应 • 永久效应（嬗变）：中子能量超过MeV量级，就有 可能与靶材料的原子核发生核嬗变，而生成新的原 子核，常用A（x，y）B来表示核嬗变反应，其意 义为原子核A吸收一个入射粒子x后，放出粒子y， 同时原子核A嬗变为原子核B
辐照效应和辐照损伤
碰撞时的能量传递
不考虑晶体效应和原子间的作用势，根据经典力学计算。 设：入射中子质量M1，能量E0；静止的靶原子质量M2
• 随机碰撞：根据弹性碰撞中能量和动量的守恒方程，可求 出中子传递给靶原子的能量T。将直角坐标换成质心系坐 标后，代入能量和动量守恒方程，即可得到随机碰撞时的 能量传递为：
辐照效应和辐照损伤
辐照损伤 离位阈能和入射粒子阈能 • 离位阈能（Ed）：被撞原子离开其平衡
位臵所需的最低临界能量。其值的大小 相当于形成一个Frenkel对缺陷的能量。 除贵金属外，一般金属的离位阈能约为
25eV
-- 如果T<Ed，即金属原子获得的能量较小：被撞原子由于受周围原子 的约束而不能离开所处的晶格点阵位臵，只能以热振动方式消耗所吸 收的能量 -- 如果T>Ed，分成两种情况：如果T值足够大，被撞原子有可能克服 周围原子的阻碍作用（位垒），离开自己所处的平衡位臵，同时留下 一个空位，并有可能在离空位一定距离（与晶体方向有关）的原子间 隙处停留下来，称为间隙原子，与原空位共同构成Frenkel对缺陷；如 果T值相当大，被撞原子不仅自己发生离位，它还能撞离其它原子， 产生新的Frenkel对，直到能量耗至小于Ed为止。
式中， =
(2)
4M1 M2 (M1 + M2) 2
称为中子能量损失系数或靶原子的能量吸收系数，或质量因子
当=0时，T=0； 从弹性碰撞的能量传递公式（1）式可知，因能量为E0的中子与 靶原子碰撞的随机性使被撞原子吸收中子的能量T介于0~E0之间， 其平均值T：T = E0/2
靶核质量M2越小，越大，即入射中子传递给靶原子的能量就越 多，即从靶核从中子吸收的能量越多；反之亦然
辐照效应和辐照损伤
辐照损伤
• 金兴-皮斯模型：在计算PKA损伤函数，即生成Frenkel对缺 陷计算中，应用最广的即为金兴-皮斯模型，也叫KP模型。
反应堆材料学
Materials for Nuclear Application
龙 斌 教授
核工业研究生部
China Institute of Atomic Energy, 102413, Beijing, China
辐照效应 Irradiation Effects on structural materials part1
辐照效应和辐照损伤
辐照损伤
• 离位阈能的方向性 理论计算和实验测量 表明，离位阈能具有方向 性，即与碰撞中能量传递 的方向（原子离位方向） 有关。 如图：bcc铁的离位阈能， <111>方向较高 <110>次之 <100>最低
Ed50eV Ed40eV
Ed17eV
体心立方铁离位阈能随晶向的变化
辐照效应和辐照损伤
辐照效应 因此：在反应堆结构材料的合金设计中，必须考虑核 嬗变引起的合金成分变化，以保证合金的性能不会受 到过大的损害，并尽可能减少材料因辐照而诱发产生 的放射性影响 (n，)、(n，p)是材料辐照损伤研究中最重要的两类 核嬗变反应。这两类嬗变反应产生的氢、氦等元素与 辐照缺陷作用在一起，会对材料的结构和性能产生更 加复杂的影响。它们一直是辐照损伤研究中的重要课 题。
辐照效应和辐照损伤
辐照损伤
碰撞时的能量传递
离位效应是金属材料辐照损伤的源头 什么样的中子能对材料产生辐照损伤？
• 裂变反应释放的中子能谱： 从0.1~10MeV，平均能量为2MeV-快中子； 能量在0.01~0.1eV，为慢中子 • 大于1MeV的快中子在级联碰撞中因产 生离位原子数量多，从而形成的缺陷团 和贫原子区以及它们的存活率也随之增 高
对于金属材料来说，这些效应最终主要转换成热量 释放，一般不会给材料结构带来什么变化。 过渡效应所产生的热效应对于 材料的辐照行为具有不可忽视的影响
• PKA：快中子最初撞出 的第一次离位原子，叫 初级离位原子 （Primary knock-on atoms）
PKA PKA
辐照效应和辐照损伤
辐照损伤 级联碰撞与撞出损伤函数
• 级联碰撞（cascade process）：最初被撞离位原子（PKA)的 能量远大于离位阈能，可连续地和点阵中其他原子发生碰 撞，构成二次、三次以至更多次生离位原子，称为级联碰 撞 • 损伤函数（E）：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。 损伤函数同辐照硬化和脆化的关系尚不明确，但同空洞长 大及辐照蠕变有较好的关系。因此损伤函数对评估中子辐照 产生的离位原子数及其随后的变化行为很重要，它能决定辐 照缺陷的数量、分布形态以及辐照效应大小 因此，对辐照损伤函数（E）的计算很重要
200
1263 1.1106 325 28
辐照效应和辐照损伤
辐照损伤
级联碰撞与撞出损伤函数 已知裂变中子平均能量为2MeV，它轰击铁原子，后者获得的能量 约为0.138MeV，此值远远大于铁的离位阈能（Ed=25eV），也远远 超过为使铁原子离位所需要的325eV的入射中子能量
4M1 M2 T max= E0 = 0.069E0 2 (M1 + M2)
辐照效应和辐照损伤
辐照过程的碰撞问题 • 坐标系的选择： 在对二体碰撞进行动力学分析时，可供选择的坐标系 有实验室坐标系、相对运动坐标系以及质心坐标系。在研 究中子对靶原子的碰撞中，主要采用实验室坐标系和质心 坐标系。
实验室坐标系：以实验室为静止参照物， 碰撞前靶原子处于静止状态，受到速度为 v1的入射粒子碰撞后，靶原子核入射粒子 的运动状态均发生变化 质心坐标系：以参加碰撞的两个物体的质 心为静止参照物，在该坐标系中，两个物 体分别以w1、w2相向运动，碰撞后又分别 以w1’、w2’背向运动
China Institute of Atomic Energy, 102413, Beijing, China
辐照效应和辐照损伤
辐照效应 • 核反应堆结构材料的一个显著特点就是会受到各种 射线的辐照，这是它与其它工业材料的最大不同之 处。
• 一般冶金学从热力学平衡的角度研究材料的变化， 所涉及的能量只有几个乃至几十个eV
辐照效应和辐照损伤
辐照效应 辐照的间接效应： 材料还会因辐照产生一些间接效应，其中最重要的是 辐照对材料的腐蚀稳定性的影响 • 腐蚀介质的成分由于辐照分解而发生变化；
比如：水的辐射分解--水在反应堆条件下会产生辐射分解： 游离氧、水合电子、氢离子
• 材料表面的保护性氧化膜因辐照出现损伤； • 材料表面参与化学反应的原子还会从辐照射线获得 能量 这些现象往往会加快材料的腐蚀过程
T=
2M1 M2 E0（1-cos) 2 (M1 + M2)
(1)
式中，为质心散射角
核工业研究生院
CIAE，龙斌
辐照效应和辐照损伤
• 正碰（二体迎头正碰）：当=180o时，靶原子将从中子 的碰撞中获得最大的能量Tmax
4M1 M2 T max= E0 = E0 2 (M1 + M2)
235 92 235 92 87 U n 147 La 57 35 Br 2n 139 59 94 38
U n Xe Sr 3n
辐照效应和辐照损伤
辐照效应 辐照损伤（irradiation damage)-类型 高能射线对材料产生的辐照损伤效应，按其作用时间 的长短，可分为三类 • 过渡效应（电离效应）：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，而使其脱离轨道的电离现象。
铁原子的离位阈能：25eV
结构材料的辐照效应主要是由高能中子引起一些原子离开点阵位 臵而产生的缺陷造成的
辐照效应和辐照损伤
辐照过程的碰撞问题 碰撞过程是一个非常复杂的问题，简化为：
• 二体碰撞：忽略原子之间的相互作用，只考虑直接参与碰撞 的两个物体，即入射粒子和被撞的靶原子，忽略材料中其它 相邻原子对这一碰撞的影响。 • 原子碰撞和原子核碰撞： 原子的尺度等于其轨道电子产生的电子云的尺度（10-8cm）， 原子核的尺度只有10-12cm 入射粒子先与靶原子的电子云碰撞，穿过电子云后才能与靶 原子核碰撞，前者称为原子碰撞（或电子碰撞）；后者称为原 子核碰撞 入射离子和电子带电荷，与靶原子发生原子碰撞—激发 （电离态）；因此入射能量的大部分都消耗于原子碰撞，只有 很少一部分作用在原子核碰撞上。 入射中子本身不带电荷，辐照时主要是原子核碰撞
取M2=56, =0.069
产生离位的最低轰击能量（设Ed = 25eV）
静Hale Waihona Puke 原子的原子量中子，质子(eV) 电子，射线(eV) 粒子 (eV) 核裂片，质量数为 100 (eV)
10
76 1.0103 31 76
50
325 0.41106 91 28
100
638 0.68106 169 25
辐照效应和辐照损伤
辐照效应 射线的种类
• 中性粒子：中子、射线（光子） • 带电粒子：粒子（He核）、质子、电子（包括） • 高能原子和离子：裂变产物、一次碰撞反冲原子以及加速的 离子
两种主要的辐射 • 对于结构材料：射线、射线和射线对金属的损 伤可忽略，辐照损伤主要来源于中子的辐照； 射线 对高分子材料有损伤作用，会导致诸如电缆的老化； • 对于燃料材料：其损伤主要来源于裂变产物
金属材料中的过渡效应是一种暂态效应，而可逆效应则是一种累积效应，它 与射线的辐照剂量有密切的关系
辐照效应和辐照损伤
辐照效应 • 永久效应（嬗变）：中子能量超过MeV量级，就有 可能与靶材料的原子核发生核嬗变，而生成新的原 子核，常用A（x，y）B来表示核嬗变反应，其意 义为原子核A吸收一个入射粒子x后，放出粒子y， 同时原子核A嬗变为原子核B
辐照效应和辐照损伤
碰撞时的能量传递
不考虑晶体效应和原子间的作用势，根据经典力学计算。 设：入射中子质量M1，能量E0；静止的靶原子质量M2
• 随机碰撞：根据弹性碰撞中能量和动量的守恒方程，可求 出中子传递给靶原子的能量T。将直角坐标换成质心系坐 标后，代入能量和动量守恒方程，即可得到随机碰撞时的 能量传递为：
辐照效应和辐照损伤
辐照损伤 离位阈能和入射粒子阈能 • 离位阈能（Ed）：被撞原子离开其平衡
位臵所需的最低临界能量。其值的大小 相当于形成一个Frenkel对缺陷的能量。 除贵金属外，一般金属的离位阈能约为
25eV
-- 如果T<Ed，即金属原子获得的能量较小：被撞原子由于受周围原子 的约束而不能离开所处的晶格点阵位臵，只能以热振动方式消耗所吸 收的能量 -- 如果T>Ed，分成两种情况：如果T值足够大，被撞原子有可能克服 周围原子的阻碍作用（位垒），离开自己所处的平衡位臵，同时留下 一个空位，并有可能在离空位一定距离（与晶体方向有关）的原子间 隙处停留下来，称为间隙原子，与原空位共同构成Frenkel对缺陷；如 果T值相当大，被撞原子不仅自己发生离位，它还能撞离其它原子， 产生新的Frenkel对，直到能量耗至小于Ed为止。
式中， =
(2)
4M1 M2 (M1 + M2) 2
称为中子能量损失系数或靶原子的能量吸收系数，或质量因子
当=0时，T=0； 从弹性碰撞的能量传递公式（1）式可知，因能量为E0的中子与 靶原子碰撞的随机性使被撞原子吸收中子的能量T介于0~E0之间， 其平均值T：T = E0/2
靶核质量M2越小，越大，即入射中子传递给靶原子的能量就越 多，即从靶核从中子吸收的能量越多；反之亦然
辐照效应和辐照损伤
辐照损伤
• 金兴-皮斯模型：在计算PKA损伤函数，即生成Frenkel对缺 陷计算中，应用最广的即为金兴-皮斯模型，也叫KP模型。
反应堆材料学
Materials for Nuclear Application
龙 斌 教授
核工业研究生部
China Institute of Atomic Energy, 102413, Beijing, China
辐照效应 Irradiation Effects on structural materials part1
辐照效应和辐照损伤
辐照损伤
• 离位阈能的方向性 理论计算和实验测量 表明，离位阈能具有方向 性，即与碰撞中能量传递 的方向（原子离位方向） 有关。 如图：bcc铁的离位阈能， <111>方向较高 <110>次之 <100>最低
Ed50eV Ed40eV
Ed17eV
体心立方铁离位阈能随晶向的变化
辐照效应和辐照损伤
辐照效应 因此：在反应堆结构材料的合金设计中，必须考虑核 嬗变引起的合金成分变化，以保证合金的性能不会受 到过大的损害，并尽可能减少材料因辐照而诱发产生 的放射性影响 (n，)、(n，p)是材料辐照损伤研究中最重要的两类 核嬗变反应。这两类嬗变反应产生的氢、氦等元素与 辐照缺陷作用在一起，会对材料的结构和性能产生更 加复杂的影响。它们一直是辐照损伤研究中的重要课 题。
辐照效应和辐照损伤
辐照损伤
碰撞时的能量传递
离位效应是金属材料辐照损伤的源头 什么样的中子能对材料产生辐照损伤？
• 裂变反应释放的中子能谱： 从0.1~10MeV，平均能量为2MeV-快中子； 能量在0.01~0.1eV，为慢中子 • 大于1MeV的快中子在级联碰撞中因产 生离位原子数量多，从而形成的缺陷团 和贫原子区以及它们的存活率也随之增 高
对于金属材料来说，这些效应最终主要转换成热量 释放，一般不会给材料结构带来什么变化。 过渡效应所产生的热效应对于 材料的辐照行为具有不可忽视的影响