Säteilyhaurastuminen
Neutronisäteilyn vaikutukset teräksessä > Mikroskooppiset vaikutukset

Kulkiessaan teräksen kidehilan läpi neutronit vuorovaikuttavat aineen atomien kanssa luovuttaen niille osan energiastaan. Nämä reaktiot vaikuttavat hilaan kolmella eri mekanismilla:
atomien siirtyminen pois kidehilasta,
transmutaation aiheuttamat kemialliset muutokset sekä
elektronien virittäminen ja atomien ionisaatio.
Näistä ensimmäinen on pääasiallinen vauriomekanismi, toisen merkityksen ollessa selvästi vähäisempi. Kolmas ilmiö ei aiheuta pysyvää vahinkoa metalleille.
Kidehilasta pois töytäistyä atomia kutsutaan nimellä primary knock-on atom (pääasiallinen kolhaistu atomi), PKA. PKA:n syntyminen luo vakanssin hilassa ja välisija-atomin eli ns. Frenkelin parin. PKA:n hilasta erkanemisen vaatima minimienergia on Td, metalleissa 20–50 eV. Jos törmäysenergia jää alle Td:n, ei PKA:ta synny vaan kiteessä alkaa paikallinen oskillaatio mikä ilmenee lämpötilan nousuna. Td:tä suuremmat törmäysenergiat taas jäävät PKA:lle, joten sen saama energia voi vaihdella aina nollasta enintään Tmax:iin. Vaihtelu energiassa johtaa vaihteluun myös törmäysten aiheuttaman vahingon määrässä.
PKA:n synty aikaansaa kaskadireaktion, jossa syntyy useita Frenkelin pareja. Mitä suurempi PKA:n energia, sitä enemmän pareja syntyy. Täten metalliin syntyy paikallinen atomien uudelleenjärjestäytyminen, jonka keskuksessa on epäsäännöllinen joukko vakansseja ja ympäristössä ripoteltuna välisija-atomeita. Syntyvien Frenkelin parien määrä v(T) riippuu PKA:n saamasta energiasta T Norgett-Robinson-Torrens -mallin mukaan seuraavasti:
kun Q on epäelastisten törmäysten kaskadissa aiheuttama hävikki,  {\bar {T}}_{d} on kiteeseen eri suunnista tulevien Td:den keskiarvo ja k on T:stä riippuva irrotustehokkuus
Hilasta irtoavien atomien aiheuttamaa vahinkoa on 1970-luvulta alkaen ilmaistu dpa-luvulla, displacements per atom, joka riippuu neutronivuosta, neutronispektristä ja neutronien vaikutusalasta kiderakenteen atomeihin. Oheinen taulukko näyttää eri reaktorityypeille tavallisia vahinkomääriä. Taulukosta nähdään, että pienissä reaktoreissa vahinkojen määrä on hyvin vähäinen verrattuna voimalaitosreaktoreihin ja että uusissa tutkimuksen alaisissa reaktorityypeissä vahinkojen määrät kasvavat useita kertaluokkia. Taulukko kertoo myös säteilyn aiheuttaman rakenneaineeseen syntyvän heliumin määrän.
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 |
| --- | --- | --- | --- | --- |
|  | Tutkimusreaktorit | Kevytvesireaktorit | Hyötöreaktorit | Fuusioreaktorit |
| Lämpötila (K) | <370 | ~575 | ~825 | ~600–1300 |
| Neutronivuo (n cm-2/s) | ~1012 | ~1014 | ~5x1015 | ~5x1015 |
| Kidevahinko (dpa/s) | ~10-13 | ~10-8 | ~10-6 | ~10-6 |
| Heliumtuotto (ppm/a) | mitätön | ~1 | ~10 |  |
Säteilyn aiheuttamien vahinkojen paikallinen mittakaava vaihtelee yhdestä Frenkelin parista koloihin ja heliumkupliin, joiden läpimitta voi olla 3–30 nm. Heliumkuplat syntyvät (n, α) reaktioissa, joissa materiaalin atomit absorboivat neutronin ja säteilevät alfahiukkasen. Alfahiukkaset kaappaavat itselleen herkästi elektroneja ja muodostavat siten heliumatomeita kidehilaan. Tämä on merkittävin transmutaation aiheuttama materiaaliominaisuuksiin vaikuttava ilmiö ydinreaktorin rakenteissa.