مواد تابشی

علم مواد تابشی 

علم مواد تابشی زیرمجموعه‌ای از علم مواد است که به مطالعه برهمکنش تابش با ماده می‌پردازد: موضوعی گسترده که اشکال مختلفی از تابش و ماده را پوشش می‌دهد.

 هدف اصلی علم مواد تابشی 
برخی از عمیق‌ترین اثرات تابش بر مواد در هسته راکتورهای انرژی هسته‌ای رخ می‌دهد، جایی که اتم‌های تشکیل‌دهنده اجزای ساختاری در طول عمر مهندسی خود بارها جابجا می‌شوند. عواقب تابش به اجزای هسته شامل تغییرات در شکل و حجم تا ده‌ها درصد، افزایش سختی تا پنج برابر یا بیشتر، کاهش شدید شکل‌پذیری و افزایش شکنندگی و حساسیت به ترک خوردگی ناشی از محیط زیست است. برای اینکه این سازه‌ها به هدف خود برسند، درک کاملی از تأثیر تابش بر مواد مورد نیاز است تا اثرات تابش در طراحی در نظر گرفته شود، اثر آن با تغییر شرایط عملیاتی کاهش یابد، یا به عنوان راهنمایی برای ایجاد مواد جدید و مقاوم‌تر در برابر تابش که بتوانند هدف خود را بهتر انجام دهند، عمل کند.

 تابش 
انواع تابش‌هایی که می‌توانند مواد ساختاری را تغییر دهند عبارتند از تابش نوترونی ، پرتوهای یونی ، الکترون‌ها ( ذرات بتا ) و پرتوهای گاما . همه این اشکال تابش قابلیت جابجایی اتم‌ها از مکان‌های شبکه‌ای خود را دارند، که فرآیند اساسی است که تغییرات در فلزات ساختاری را هدایت می‌کند. گنجاندن یون‌ها در میان ذرات تابش‌دهنده، پیوندی با سایر زمینه‌ها و رشته‌ها مانند استفاده از شتاب‌دهنده‌ها برای تبدیل زباله‌های هسته‌ای یا ایجاد مواد جدید از طریق کاشت یون ، اختلاط پرتو یونی ، کاشت یون به کمک پلاسما و رسوب به کمک پرتو یونی ایجاد می‌کند .

تأثیر تابش بر مواد ریشه در رویداد اولیه‌ای دارد که در آن یک پرتابه پرانرژی به هدف برخورد می‌کند. اگرچه این رویداد از چندین مرحله یا فرآیند تشکیل شده است، اما نتیجه اصلی آن جابجایی یک اتم از محل شبکه آن است. تابش، یک اتم را از محل خود جابجا می‌کند و یک محل خالی (یک جای خالی ) باقی می‌گذارد و اتم جابجا شده در نهایت در مکانی بین محل‌های شبکه قرار می‌گیرد و به یک اتم بین‌نشینی تبدیل می‌شود. جفت جای خالی-بین‌نشینی، محور اثرات تابش در جامدات بلوری است و به عنوان یک جفت فرنکل شناخته می‌شود. وجود جفت فرنکل و سایر پیامدهای آسیب تابشی، اثرات فیزیکی را تعیین می‌کنند و با اعمال تنش ، اثرات مکانیکی تابش با وقوع پدیده‌های بین‌نشینی مانند تورم ، رشد ، گذار فاز ، جدایش و غیره، تحت تأثیر قرار می‌گیرند. علاوه بر جابجایی اتمی، یک ذره باردار پرانرژی که در یک شبکه حرکت می‌کند، از طریق نیروی بازدارنده الکترونیکی، به الکترون‌های موجود در سیستم نیز انرژی می‌دهد. این انتقال انرژی همچنین می‌تواند برای ذرات پرانرژی باعث ایجاد آسیب در مواد غیرفلزی، مانند مسیرهای یونی و مسیرهای شکافت در مواد معدنی، شود. 
چپ|بندانگشتی|توالی تصویر از زمان توسعه آبشار برخورد در رژیم جهش حرارتی تولید شده توسط یون Xe با انرژی 30 کیلوالکترون‌ولت که بر طلا در شرایط کانالی برخورد می‌کند. تصویر توسط یک شبیه‌سازی دینامیک مولکولی کلاسیک از یک آبشار برخورد تولید شده است. تصویر، مقطعی از دو لایه اتمی را در وسط یک سلول شبیه‌سازی سه‌بعدی نشان می‌دهد. هر کره موقعیت یک اتم را نشان می‌دهد و رنگ‌ها انرژی جنبشی هر اتم را همانطور که با مقیاس سمت راست نشان داده شده است، نشان می‌دهند. در پایان، هم نقص‌های نقطه‌ای و هم حلقه‌های نابجایی باقی می‌مانند.

 آسیب ناشی از تشعشع 
رویداد آسیب تابشی به صورت انتقال انرژی از یک پرتابه فرودی به جامد و توزیع حاصل از اتم‌های هدف پس از اتمام رویداد تعریف می‌شود. این رویداد از چندین فرآیند مجزا تشکیل شده است:

 برهمکنش یک ذره فرودی پرانرژی با یک اتم شبکه‌ای
 انتقال انرژی جنبشی به اتم شبکه که منجر به تولد یک اتم اولیه‌ی پیوندی می‌شود
 جابجایی اتم از محل شبکه خود
 عبور اتم جابجا شده از میان شبکه و ایجاد اتم‌های اضافیِ الحاقیِ همراه آن
 تولید آبشار جابجایی (مجموعه‌ای از نقص‌های نقطه‌ای ایجاد شده توسط اتم ضربه‌ای اولیه)
 خاتمه اتم ضربه زننده اولیه به عنوان یک اتم بین نشین

نتیجه‌ی یک رویداد آسیب تابشی، اگر انرژی داده شده به یک اتم شبکه بالاتر از انرژی جابجایی آستانه باشد، ایجاد مجموعه‌ای از نقص‌های نقطه‌ای (جای خالی‌ها و بین‌نشینی‌ها) و خوشه‌هایی از این نقص‌ها در شبکه کریستالی است.

اساس کمی‌سازی آسیب تشعشعی در جامدات، تعداد جابجایی‌ها در واحد حجم در واحد زمان است. :

کجا چگالی عدد اتمی است، و حداکثر و حداقل انرژی ذره ورودی هستند، شار ذرات وابسته به انرژی است، و حداکثر و حداقل انرژی منتقل شده در برخورد یک ذره انرژی هستند و یک اتم شبکه‌ای، سطح مقطع برخورد یک ذره انرژی است که منجر به انتقال انرژی می‌شود به اتمِ ضربه خورده، تعداد جابجایی‌ها به ازای هر اتم ضربه‌زننده اولیه است.

دو متغیر کلیدی در این معادله عبارتند از و اصطلاح انتقال انرژی از ذره ورودی به اولین اتمی که در هدف با آن مواجه می‌شود، یعنی اتم ضربه‌زننده اولیه، را توصیف می‌کند؛ کمیت دوم تعداد کل جابجایی‌هایی است که اتم ضربه‌زننده اولیه در جامد انجام می‌دهد؛ روی هم رفته، آنها تعداد کل جابجایی‌های ناشی از یک ذره انرژی ورودی را توصیف می‌کنند. و معادله فوق توزیع انرژی ذرات ورودی را توضیح می‌دهد. نتیجه، تعداد کل جابجایی‌ها در هدف از شار ذرات با توزیع انرژی معلوم است.

در علم مواد تابشی، آسیب جابجایی در آلیاژ ( = جابجایی‌ها به ازای هر اتم در جامد ) نمایش بهتری از تأثیر تابش بر خواص مواد نسبت به شار (شار نوترون، ).

همچنین به اثر ویگنر مراجعه کنید.

 مواد مقاوم در برابر اشعه 
برای تولید موادی که با نیازهای روزافزون راکتورهای هسته‌ای برای عملکرد با راندمان بالاتر یا طول عمر طولانی‌تر مطابقت داشته باشند، باید مواد با در نظر گرفتن مقاومت در برابر تابش طراحی شوند. به طور خاص، راکتورهای هسته‌ای نسل چهارم در دماها و فشارهای بالاتری نسبت به راکتورهای آب تحت فشار مدرن کار می‌کنند که بخش زیادی از راکتورهای غربی را تشکیل می‌دهند. این امر منجر به افزایش آسیب‌پذیری در برابر شکست مکانیکی معمولی از نظر مقاومت خزش و همچنین رویدادهای آسیب‌زای تابشی مانند تورم ناشی از نوترون و جداسازی فازها ناشی از تابش می‌شود. با در نظر گرفتن آسیب‌های تابشی، مواد راکتور قادر به تحمل طول عمر عملیاتی طولانی‌تر خواهند بود. این امر به راکتورها اجازه می‌دهد تا پس از مدت زمان طولانی‌تری از رده خارج شوند و بازده سرمایه‌گذاری راکتورها را بدون به خطر انداختن ایمنی بهبود بخشند. این امر به ویژه در توسعه قابلیت دوام تجاری راکتورهای هسته‌ای پیشرفته و نظری مورد توجه است و این هدف را می‌توان از طریق مقاومت مهندسی در برابر این رویدادهای جابجایی محقق کرد.

 مهندسی مرز دانه 
فلزات مکعبی مرکز وجهی مانند فولادهای آستنیتی و آلیاژهای پایه نیکل می‌توانند از مهندسی مرز دانه سود زیادی ببرند. مهندسی مرز دانه تلاش می‌کند تا مقادیر بیشتری از مرزهای دانه‌ای ویژه تولید کند که با جهت‌گیری‌های مطلوب بین دانه‌ها مشخص می‌شوند. با افزایش جمعیت مرزهای کم انرژی بدون افزایش اندازه دانه، مکانیک شکست این فلزات مکعبی مرکز وجهی را می‌توان تغییر داد تا خواص مکانیکی را با توجه به جابجایی‌های مشابه در هر مقدار اتم در مقایسه با آلیاژهای مهندسی شده بدون مرز دانه، بهبود بخشد. این روش عملیات به طور خاص مقاومت بهتری در برابر ترک خوردگی ناشی از خوردگی تنشی و اکسیداسیون ایجاد می‌کند. 

 انتخاب مواد 
ا استفاده از روش‌های پیشرفته انتخاب مواد ، می‌توان مواد را بر اساس معیارهایی مانند سطح مقطع جذب نوترون ارزیابی کرد. انتخاب موادی با حداقل جذب نوترون می‌تواند تعداد جابجایی‌های هر اتم را که در طول عمر ماده راکتور رخ می‌دهد، به شدت کاهش دهد. این امر با جلوگیری از تحرک اتم‌ها در وهله اول، فرآیند شکنندگی تابشی را کند می‌کند و به طور فعال موادی را انتخاب می‌کند که به طور مکرر با تابش هسته‌ای تعامل ندارند. این امر می‌تواند تأثیر زیادی بر آسیب کلی داشته باشد، به خصوص هنگام مقایسه مواد راکتورهای پیشرفته مدرن از زیرکونیوم با هسته‌های راکتور از جنس فولاد ضد زنگ، که می‌توانند از نظر سطح مقطع جذب با مواد بهینه‌تر، چندین برابر متفاوت باشند. (Newer version exists: )

مقادیر نمونه برای سطح مقطع نوترون حرارتی در جدول زیر نشان داده شده است. 
+عنصرمقطع نوترون حرارتی (انبارها)منیزیم۰.۰۵۹سرب۰.۱۷زیرکونیوم۰.۱۸آلومینیوم۰.۲۳آهن۲.۵۶فولاد ضد زنگ آستنیتی۳.۱نیکل۴.۵تیتانیوم۶.۱کادمیوم۲۵۲۰

 خودسازماندهی سفارش کوتاه برد (SRO) 
برای آلیاژهای نیکل-کروم و آهن-کروم، می‌توان نظم کوتاه‌برد را در مقیاس نانو (<5) طراحی کرد. (نانومتر) که فضای بین‌نشینی و فضای خالی ایجاد شده توسط رویدادهای اتمی اولیه را جذب می‌کند. این امر به موادی اجازه می‌دهد که تورمی را که معمولاً در حضور جابجایی‌های زیاد در هر اتم رخ می‌دهد، کاهش دهند و تغییر درصد حجم کلی را زیر محدوده ده درصد نگه دارند. این امر از طریق ایجاد یک فاز شبه‌پایدار که در تعادل ثابت و پویا با مواد اطراف است، رخ می‌دهد. این فاز شبه‌پایدار با داشتن آنتالپی اختلاط که عملاً نسبت به شبکه اصلی صفر است، مشخص می‌شود. این امر به تبدیل فاز اجازه می‌دهد تا نقص‌های نقطه‌ای را که معمولاً در شبکه‌های سفت‌تر جمع می‌شوند، جذب و پراکنده کند. این امر عمر آلیاژ را از طریق کاهش موفقیت ایجاد فضای خالی و فضای بین‌نشینی افزایش می‌دهد، زیرا برانگیختگی نوترونی ثابت به شکل آبشارهای جابجایی، فاز SRO را تغییر می‌دهد، در حالی که SRO در محلول جامد توده‌ای اصلاح می‌شود. 

 جستار‌های وابسته 

 علم مواد تابشی
 علم مواد تابشی
 تابش سینکروترون
 تابش

 منابع 
رده:مقاله‌های ایجادشده توسط ایجادگر
رده:مهندسی ساختمان
رده:علم مواد