Transcript radiacne_poskodenie-Pastorek,Trsko

Radiačné poškodenie
Žilinská univerzita v Žiline
Katedra materiálového
inžinierstva
Bc. Filip Pastorek [email protected]
Bc. Libor Trško
[email protected]
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 atómu
a.
b.
c.
Energia odovzdaná iónu nestačí na opustenie uzlového
bodu mriežky (zvýšenie energie kmitov mriežky)
Energia odovzdaná iónu stačí na opustenie uzlového bodu
mriežky (umiestnenie iónu v medzimriežkovej polohe) –
najvýznamnejšia interakcia z hľadiska radiačného
poškodenia
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 vakanciainterstícia (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 1000C 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.
neožiarené
Energia [J]

neožiarené
ožiarené
Teplota prerazenia [°C]
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


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.
Rýchlosť tečenia [1/h]
Prejavy radiačného poškodenia kovov [4]
radiačný
creep
teplotný creep
Obr. 6 Radiačný a teplotný
creep austenitickej ocele
08Cr18Ni9Ti
Prejavy radiačného poškodenia kovov [4,6]




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).
International Thermonuclear Experimental
Reactor ITER [6]
Polomer nádoby : 10.7m
Celková 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