Радиационная стойкость материалов: воздействие излучения и способы защиты

Воздействие излучения и способы защиты от радиации

Атомная энергетика, космическая техника и множество других отраслей работают в условиях, где вещество постоянно подвергается облучению. Чтобы предвидеть, как поведёт себя материал в таком окружении, необходимо понимать природу его взаимодействия с излучением. Ниже разобрано, что изучает радиационное материаловедение, какие последствия несёт облучение, от чего зависит стойкость разных классов веществ и какими приёмами её повышают.

Какие виды излучения влияют на материалы?

Свойства материалов способны заметно менять несколько типов излучения:

• пучки ионов;
• гамма-лучи;
• бета-частицы;
• нейтронное излучение.

Наиболее суровую нагрузку вещество испытывает в активной зоне ядерных реакторов. За весь срок службы атомы, из которых собраны структурные компоненты, смещаются здесь многократно, и это не проходит бесследно. К типичным последствиям облучения относят:

• рост охрупчивания;
• падение пластичности;
• повышение твёрдости;
• изменение объёма;
• искажение формы;
• появление склонности к растрескиванию.

Ослабить эти эффекты помогает двойной подход: влияние радиации закладывают в расчёты ещё на стадии проектирования, а затем смягчают, корректируя условия эксплуатации.

Что понимают под радиационной стойкостью?

Этот показатель определяется целым рядом факторов: типом излучения, мощностью и величиной поглощённой дозы, флюенсом нейтронов, режимом облучения, условиями работы материала, размерами образца и другими обстоятельствами. Чтобы оценить изменения количественно, их сопоставляют с величинами, характеризующими поглощённую дозу, её мощность и флюенс нейтронов. Чаще всего мерой стойкости выступает предельная доза или мощность поглощённой дозы, за которой материал уже нельзя использовать по назначению.

Возникающие при облучении ионы и свободные электроны вовлекаются в сложные физико-химические превращения. Именно они перестраивают оптические, механические, электрические и прочие характеристики вещества. Такие сдвиги бывают как обратимыми, так и необратимыми, а проявляться могут либо непосредственно в ходе облучения, либо спустя долгое время после него.

Как ведут себя неорганические материалы?

У неорганических веществ стойкость к излучению задаётся типом химической связи и строением кристаллической решётки. Прочнее всего держатся ионные кристаллы, а среди структур наибольшую устойчивость показывают плотные решётки с высокой симметрией.

Отдельные материалы реагируют по-своему:

• стекло меняет прозрачность и приобретает окраску, иногда доходит и до кристаллизации;
• силикаты под облучением испытывают анизотропное расширение кристалла, теряют плотность и теплопроводность, а их структура аморфизуется;
• металлы ведут себя в зависимости от степени повреждения решётки — из-за накопления дефектов растёт электрическое сопротивление сплавов и чистых металлов;
• полупроводники отвечают изменением равновесной (при данной температуре) концентрации точечных дефектов: облучение увеличивает её, из-за чего сдвигаются оптические и электрические свойства.

Чем отличается стойкость органических материалов?

Для органических веществ мерой стойкости служит радиационный выход продуктов радиолиза. Когда излучение встречается с органическим соединением, рождаются промежуточные активные частицы, идёт деструкция под действием облучения, выделяются газы, происходит сшивание молекул.

У полимеров многое зависит от количества растворённого в них воздуха и от того, насколько быстро он уходит в окружающую среду. В присутствии воздуха запускается радиационно-химическое окисление, а вместе с ним меняются термическая и химическая стойкость, модуль упругости, предел прочности, электрическая прочность, диэлектрическая проницаемость и электропроводность. Обратимость же таких изменений связана с установлением стационарного равновесия между зарождением нестабильных продуктов радиолиза и их гибелью — а это, в свою очередь, определяется мощностью дозы облучения.

Как повысить радиационную стойкость?

На практике чаще всего прибегают к пассивной защите — экранированию, радиационно-термической обработке и физико-химической модификации вещества.

Выбор конкретного приёма определяется классом материала и условиями, в которых ему предстоит работать: где-то достаточно грамотного экрана, а где-то не обойтись без модификации состава или термической подготовки.