Ученые Томского политехнического университета предложили новый метод определения радиационной стойкости материалов с помощью пучков ускоренных атомов. Имитационное облучение такими пучками повторяет воздействие нейтронного излучения ядерного реактора на материал за минимальное время, что позволяет с большей достоверностью предсказать, насколько материал устойчив к радиации. Разработанный инструмент не имеет аналогов в мире.
Результаты исследования научная группа представила на VII Международном конгрессе «Потоки энергии и радиационные эффекты» (EFRE-2020), который проходит в Томске.
Условия, в которых находятся конструкционные элементы ядерного реактора, очень жесткие. За жизненный цикл каждый атом кристаллической решетки материалов этих элементов подвергается до 100-200 воздействиям (смещениям). При этом они меняют свое положение, вследствие чего происходит радиационное повреждение конструкций.
Одна из важных проблем радиационного материаловедения — повышение устойчивости материалов: они не должны существенно менять свои свойства за все время использования в реакторе. При низкой радиационной стойкости конструкционных элементов реактора, прежде всего тепловыделяющих элементов, может произойти их деформация, потеря управляемости развития ядерной реакции и даже взрыв реактора.
Ученые проводят исследования материалов, помещая их в камеру облучения нейтронами около ядерного реактора и отслеживая появление изменений. В этом случае на исследования уходит несколько лет, и это не очень удобно для оперативной разработки новых материалов и технологий.
«Сейчас вместо нейтронного облучения используют имитационное облучение пучками заряженных частиц. Оно воссоздает те же условия, что и в ядерном реакторе, то же количество радиационных повреждений, однако радиационную нагрузку, которую получает материал в ядерном реакторе, получается набрать за несколько часов вместо нескольких лет», — говорит профессор отделения материаловедения ТПУ Александр Пушкарев.
На практике для имитационного облучения сейчас применяют два инструмента: электронные пучки и ионные пучки. Однако механизмы формирования радиационных дефектов при облучении пучками заряженных частиц и нейтронами значительно отличаются. Это снижает достоверность результатов исследований радиационной стойкости материалов.
Ученые ТПУ предложили новый инструмент — пучки ускоренных атомов. Их формирование происходит с помощью генератора мощных ионных пучков, разработанного профессором Геннадием Ремневым. Сначала формируется пучок ускоренных ионов, затем идет процесс их перезарядки и образования ускоренных атомов. Ускоренные атомы с энергией в сотни килоэлектронвольт используются для облучения материалов.
«Для радиационного материаловедения это уникальный инструмент. Он позволяет быстро набрать дозу, аналогичную дозе облучения в ядерном реакторе, и затратить на формирование дефектов значительно меньше энергии. Кроме того, механизмы формирования радиационных дефектов в металлах при облучении ускоренными атомами и нейтронами очень близки. Это позволяет повысить достоверность исследований», — говорит Александр Пушкарев.
Исследования ведут профессор отделения материаловедения ТПУ Александр Пушкарев, аспирант отделения материаловедения Артем Прима и доцент Инженерной школы энергетики ТПУ Юлия Егорова, а также ученые из Даляньского политехнического университета (Китай).
В перспективе ученые планируют провести исследования по генерации нейтронных пучков не в ядерном реакторе, а с помощью разработанного генератора пучков ускоренных атомов, что позволит повысить интенсивность нейтронного пучка и снизить габариты генератора. В дальнейшем эти нейтронные пучки можно будет применять в медицине, радиационном материаловедении и других направлениях.