Конструкционные материалы, применяемые в термоядерных установках, находятся под интенсивным воздействием нейтронного и гамма-излучения. Радиационные повреждения возникают вследствие взаимодействия этих высокоэнергетических частиц с атомной решеткой материала. Основные механизмы включают:
Возбуждение и смещение атомов (displacement damage) При столкновении нейтронов с атомами решетки возникают первичные дефекты — вакансии и интерстициальные атомы (Frenkel-пары). Энергия, переданная атомам, приводит к смещению с их узловых позиций, создавая локальные искажения кристаллической структуры.
Образование кластеров дефектов и дислокаций Отдельные вакансии и интерстициальные атомы могут агрегироваться в кластеры или линии дислокаций, что приводит к изменению механических свойств материала. Крупные кластеры дефектов часто становятся центрами зарождения трещин.
Радиационная сегрегация и радиационный диффузионный поток Под действием нейтронного потока происходит перераспределение легирующих элементов и примесей вдоль границ зерен. Это приводит к локальной изменчивости состава и ухудшению коррозионной стойкости.
Радиоактивное насыщение (transmutation) Долговременное облучение может вызывать превращение одного элемента в другой (например, ^58Ni → ^59Co), что изменяет химический состав материала, его плотность и механические свойства.
Увеличение твердости и хрупкость (radiation hardening и embrittlement) Скопления вакансий и интерстициальных атомов препятствуют движению дислокаций, что повышает предел прочности, но снижает пластичность. Особенно опасен этот эффект при низких температурах эксплуатации.
Ползучесть и радиационная ползучесть (creep under irradiation) Дефекты, индуцированные излучением, ускоряют диффузионные процессы, вызывая деформации при длительном напряжении. Радиоактивная ползучесть особенно критична для трубопроводов и оболочек реакторов.
Нарушение трещинообразования и усталостной прочности Кластеры дефектов становятся источниками зарождения микротрещин, что снижает усталостную стойкость материалов и увеличивает риск внезапного разрушения.
Динамика дефектов определяется температурой, энергией облучения и временем нахождения материала в потоке частиц. Например, при высоких температурах часть дефектов может рекомбинировать, снижая суммарное повреждение, тогда как при низких температурах дефекты стабилизируются, ухудшая механические свойства.
Нержавеющие стали (austenitic и ferritic-martensitic) Используются для оболочек реакторов и элементов первого контура. Основные проблемы: радиационное упрочнение, межграновое разрушение и водородное надувание.
Титановые и молибденовые сплавы Применяются в условиях высоких температур и интенсивного нейтронного потока. Обладают высокой ползучестью и радиационной стабильностью, но чувствительны к гелиевому насыщению.
Тяжелые металлы (W, Ta, Re) Используются в мишенях и диверторных плитах. Основные эффекты: радиационное распыление, надувание и трещинообразование.
Композитные материалы и керамика Обладают высокой устойчивостью к износу и радиации, но подвержены хрупкому разрушению и ограничены по применению в конструкционных элементах высокого давления.
Микроструктурный анализ Используются электронная микроскопия (TEM), рентгеновская дифракция и атомно-силовая микроскопия для выявления вакансий, кластеров и дислокационных петель.
Механические испытания Измерение предела прочности, ударной вязкости, пластичности и ползучести позволяет оценить степень радиационного упрочнения и хрупкости.
Нейтронная активация и спектроскопия Позволяют определить накопление радиоактивных изотопов и оценить трансмутацию элементов в материале.
Моделирование радиационного повреждения Используются методы молекулярной динамики и Монте-Карло для прогнозирования образования дефектов и их влияния на свойства материалов при различных режимах облучения.