§ 258. Разрушение материалов под действием потока частиц

Эта проблема приобрела большое значение в связи с конструкцией ядерных реакторов. Материалы, из которых сделан реактор, само ядерное горючее, замедлители, стены, приборы и пр. подвергаются действию нейтронов, осколков деления ядер, электронов

и т. д. Рассмотрим те действия потоков частиц, которые будут носить остаточный характер.

Это, прежде всего, встречи частиц, в результате которых со своего места выбрасывается тот электрон, который осуществлял химическую связь между атомами. В этом случае ионизация приводит к разрыву связи. Эта связь не обязательно восстановится. Напротив, образовавшиеся ионы или радикалы могут соединиться иначе. Поэтому в молекулярных веществах ионизация под действием радиационного излучения приводит к разрушению одних и созданию других молекул.

Наряду со смещением со своих мест электронов возможны смещения со своих мест атомных ядер. При этом сбитое со своего места атомное ядро потащит за собой свою электронную оболочку. Вполне законно поэтому говорить не о смещении ядер, а о смещении атомов как целого. Подобный эффект действия излучения почти всегда будет необратимым.

Порча материалов под действием излучения, или, короче, радиационная порча, происходит благодаря смещению атомов со своих мест и благодаря разрушению химических связей. Смещение атомов происходит под действием тяжелых заряженных частиц и быстрых нейтронов. Разрушение химических связей происходит под действием медленных нейтронов, у-лучей и электронов.

Рассмотрим подробнее те своеобразные явления, которые возникают при смещении атомов твердых тел со своих мест. Процесс смещения атомов носит цепной характер. Это значит, что первый отброшенный в сторону атом в свою очередь сместит другой атом, попавшийся ему по дороге; этот второй способен сбить со своего положения третий атом, и т. д. В результате подобного цепного процесса уже одно быстрое ядро-снаряд способно создать значительные искажения в кристаллической решетке твердого тела. Вид искажений может быть самый различный. Кристаллическая решетка может быть разрушена полностью. Чужеродные атомы способны внедриться между атомами первичной решетки. Возможны также процессы замещения атомов первичной решетки атомами-снарядами. Число смещений на одну заряженную частицу довольно мало различается для разных элементов. Альфа-частица с энергией а также протон с энергией сбивают со своих мест 60—80 частиц.

Уже отсюда мы видим, что чем частица тяжелее, тем больше бед она приносит. Действительно, аналогичные цифры для осколков деления ядер урана-235 или плутония-239 носят значительно более неожиданный характер. Такая пара осколков образует, например, в уране 25 тысяч смещенных атомов, а в графите 8000 смещенных атомов.

Так же далеко не безболезненно для материалов проходит процесс замедления нейтрона от начальной скорости до тепловой. Замедление нейтрона смещает в бериллии 450 атомов, в графите 1900 атомов, в алюминии 6000 атомов.

Из этих цифр ясно, что мы должны ожидать существенных изменений свойств, происходящих благодаря смещению атомов со своих мест в кристаллической решетке. Основной интерес представляют металлы. Причина та, что в металлах смещение атомов является, по сути дела, единственным остаточным действием излучения.

Наибольшее внимание уделялось действию нейтронов и осколков деления. Это естественно, так как исследования такого рода тесно связаны с атомной промышленностью. Детальные исследования производились при дозе . Это — небольшая доза. Грубо говоря, действию такого потока нейтронов материал, находящийся в ядерном реакторе, подвергнется за сутки его работы. Однако уже и при этой небольшой дозе обнаруживаются серьезные изменения свойств металлов; эти изменения близки к тем, которые терпит металл при холодной обработке. Это значит, что под действием нейтронов и осколков деления увеличивается хрупкость металла, уменьшается ковкость, увеличивается твердость, меняются также и электромагнитные свойства металла.

Если у металлов основным источником радиационной порчи является смещение атомов со своих мест, то в органических веществах, в которых атомы связаны химически, основные изменения происходят благодаря ионизации, разрушающей связи между атомами.

Органические вещества разрушаются под действием излучения исключительно быстро. Доза нейтронов порядка на практически губит органическое вещество. Парафины, олефины, полифенилы портятся на 25% при пребывании в реакторе в течение нескольких часов.

Большей частью превращение органического вещества состоит в выделении газа и полимеризации. Однако тут же интересно отметить, что высокополимерные вещества в некоторых случаях деполимеризуются под действием радиации.

Устройство кристаллической решетки таково, что можно ожидать разной легкости прохождения заряженной частицы в различных кристаллографических направлениях.

На первый взгляд может показаться, что попасть в решеточный туннель заряженной частице не так-то просто. Нетрудно подсчитать, что движение протона по прямой линии без «задевания» по пути атомов для тончайших кристаллов должно быть осуществлено с точностью 0,01 дугового градуса. Однако проделанные недавно опыты с монокристаллами показали, что туннелирование наблюдается без особого труда. В 5—10 раз возрастает сила протонного тока, когда направление пучка частиц совпадает с осями кристаллов. Подробное исследование явления показало, что туннелирование является своеобразным процессом с обратной связью. Когда протон отклоняется от пути следования вдоль атомного ряда, электростатические силы возвращают его на прямую траекторию.