РАДИАЦИОННАЯ ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА И РАДИАЦИОННОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Радиационная физика твердого тела (РФТТ) и радиационное (атомное) материаловедение (см. гл. 3) в связи с бурным развитием атомной энергетики, освоением ядерных источников энергии для космической техники, все более расширяющимся технологическим применением радиационных процессов и т. п. приобретают в настоящее время особо важное значение.
Вопросы повреждения материалов при работе ядерных реакторов привлекали внимание советских ученых на самых ранних этапах решения этой проблемы.
И. В. Курчатов был первым, кто указал на значение вопросов радиационной стойкости реакторных материалов, в частности графита, для решения проблемы в целом, и был инициатором постановки первых экспериментов по изучению радиационной повреждаемости материалов. Уже на сравнительно ранней стадии развития ядерных реакторов было открыто несколько неизвестных ранее явлений, обусловленных разрушающим воздействием реакторного излучения на материалы. В разные периоды были обнаружены такие явления, как скрытая энергия облучения — энергия Вигнера, радиационный рост, радиационное охрупчивание, ускоренная под облучением диффузия, сверхползучесть, газовое и вакансионное распухание.
Советские ученые внесли существенный вклад в развитие РФТТ и радиационного материаловедения. В основе современных представлений физики радиационных повреждений лежат такие понятия, как вакансии, межузельные атомы, кроудионы, экситоны, которые были введены Я. И. Френкелем задолго до того, как появились первые работы по воздействию излучения на твердое тело.
Одним из первых теоретических исследований, посвященных прохождению ядерных частиц через вещество, была работа, выполненная в ХФТИ И. М. Лифшицем и др. (1956 г.). В этой работе было изучено распределение температуры вдоль трека быстрой заряженной частицы и показано, что в материале возникают тепловые вспышки — термические пики. Влияние термических пиков, вызванных осколками деления на уран и его сплавы, изучал один из основоположников РФТТ С. Т. Конобеевский, которому удалось экспериментально определить объем термического пика, его температуру, время существования и т. п.
Ученые ФЭИ в рамках модели Виньярда с помощью ЭВМ изучили влияние тепловых колебаний решетки на механизм образования дефектов. Оказалось, что тепловые колебания решетки значительно сокращают пробег одного из видов дефектов — кроудиона (например, в α-Fe пробег в направлении <111> при температуре решетки 150 С снижается в три раза), вследствие чего отток энергии на большие расстояния уменьшается, происходит пространственная локализация каскада соударений и, как следствие этого, образуются повреждения типа пиков смещения и обедненных зон. Эта работа явилась крупным вкладом в исследование механизма взаимодействия ионизирующего излучения с кристаллической решеткой.
Во многих научно-исследовательских институтах страны были проведены теоретические и экспериментальные работы по изучению различных эффектов, возникающих при прохождении ядерных частиц и ионов через кристаллическую решетку вещества. Изучались каскады соударений, вопросы каналирования, ориентационные эффекты и т. п.
Значительное развитие получили в последние годы работы по теоретическому расчету радиационного повреждения с помощью ЭВМ (машинное моделирование) (ФЭИ, ИАЭ им. И. В. Курчатова, ФТИ им. А. Ф. Иоффе, ИЯФ АН КазССР, ХФТИ).
Экспериментальное изучение прохождения ядерных частиц через кристаллическую решетку увенчалось в 1964 г. открытием А. Ф. Тулиновым (НИИЯФ МГУ) эффекта теней. В 1967 г. работа была удостоена Государственной премии СССР. Опыт был проведен на пучке протонов, падавшем на монокристаллическую вольфрамовую мишень. Оказалось, что в непосредственной окрестности направления <111> интенсивность рассеянных частиц резко падает. Теоретически это объясняется тем, что поле, создаваемое цепочкой атомов, расположенных вдоль определенной оси решетки, препятствует движению заряженных частиц, если произошло рассеяние первичной частицы на атоме, входящем в состав этой цепочки. Описанные эффекты являются общими для кристаллических решеток всех веществ.
Большой объем работ выполнен советскими учеными по изучению первичных точечных дефектов и расшифровке их структуры. Новые модели радиационных дефектов, построенные с помощью поляризованной люминесценции, пьезоспектрометрического эффекта, эффектов Зеемана и Штарка, были созданы ленинградскими физиками. Эта работа А. А. Каплянского, П. П. Феофилова и В. Н. Медведева (ГОИ им. С. И. Вавилова, ФТИ им. А. Ф. Иоффе) была удостоена в 1975 г. Государственной премии СССР. Выяснена природа радиационных дефектов в чистых и легированных полупроводниках (Sb, Ge, CdS, GaAs, GaP), облученных быстрыми электронами, нейтронами, тяжелыми ионами как при низких, так и при высоких температурах (ИЯИ АН УССР, ЛИЯФ им. Б. П. Константинова, ИП СО АН СССР). Новый механизм радиационного повреждения в ионных кристаллах, состоящих из двух типов атомов, в частности щелочно-галоидных типа AlBVll, был обнаружен эстонской школой советских физиков. Открытию предшествовало установление возможности существования возбуждений типа экситона, создающих в кристалле преддефектное состояние. Исследования показали, что автолокализация экситона (т. е. концентрация энергии возбуждения на отдельных ионах) может приводить к возникновению пары Френкеля, причем не только анионной, но и катионной, энергия образования которой в некоторых случаях во много раз выше. Наиболее значительный эффект наблюдается при энергиях ниже порога смещения. Кристаллы, для которых автолокализация отсутствует (например, MgO), обладают радиационной стойкостью, на много порядков превышающей стойкость других веществ. Легче всего повреждаются ионные кристаллы, в которых действуют оба механизма радиационного повреждения — выбивание ионов каскадными частицами и распад автолокализованных экситонов на пары Френкеля,
Несомненно, важный раздел РФТТ представляют исследования взаимодействия первичных дефектов друг с другом, с примесями и дислокациями, так как характер этого взаимодействия обычно определяет радиационную повреждаемость материалов,
В результате анализа возможных конфигураций различных скоплений было установлено, что они могут образовывать как объемные дефекты (поры), так и плоские диски атомной толщины (вакансионные дислокационные петли). Кинетика роста пор и дислокационных петель развита в работах И. М. Лифшица и его учеников.
В ионных кристалах при флюенсе, превышающем некоторое определенное значение, происходит уменьшение числа дислокационных петель, распад которых часто сопровождается инжекцией в кристаллическую решетку большого количества красящих центров. Этот эффект был обнаружен и объяснен впоследствии при применении метода машинного моделирования с помощью механизма коалесценции (ИФ АН ГССР).
Аналогичное явление было обнаружено в ИАЭ им. И. В. Курчатова; одновременно наблюдалось размножение дислокаций при циклическом нагружении материала в процессе облучения в упругой области.
Новый тип взаимодействия точечных дефектов с дислокацией был обнаружен в Иф АН ГССР. Это явление, позднее получившее название «нагруженной дислокации», заключается в «подметании» точечных дефектов, имеющихся в ионных кристаллах, движущейся заряженной дислокацией. Установлено, что заряженная дислокация не всегда может «нагрузиться» точечными дефектами. Двигаясь в переменном электрическом поле, дислокация вызывает раскачивание кристалла, которое ослабевает и даже совсем прекращается при закреплении дислокации точечными дефектами, возникающими при облучении нейтронами в экстремально малых дозах (флюенс 1012—1013см-2).
Важные результаты получены советскими учеными при изучении взаимодействия с дислокациями анизотропных дефектов. Систематические исследования в этом направлении велись в ИК АН СССР и др. Ряд теорем об анизотропных дефектах назван именами советских теоретиков.
В конце 50-х годов в ХФТИ была установлена возможность улучшения комплекса физикомеханических свойств материалов за счет направленного перераспределения атомов примеси, точечных и других дефектов решетки в процессе программного нагружения. На основании результатов исследований закономерностей формирования структуры и изменения свойств материалов с неравновесной концентрацией точечных дефектов предложена принципиально новая возможность упрочнения кристаллических тел при совмещении программного нагружения и методов создания в них неравновесной концентрации или непрерывного генерирования точечных дефектов. В исследованиях ХФТИ и ИФ АН ГССР показано, что совмещение программного нагружения и радиационного воздействия способствует ускорению диффузионных процессов перераспределения атомов примеси и радиационных дефектов в энергетически выгодные положения а решетке и способствует формированию устойчивой структуры по отношению к механическими термическим нагрузкам. В ряде кристаллов обнаружено ориентированное распределение радиационных повреждений и частиц выделений при их облучении в напряженном состоянии и в других условиях направленного перераспределения атомов примеси и дефектов решетки в определенных кристаллографических плоскостях и направлениях. Это позволяет одновременно улучшать как прочностные, так и пластические свойства кристаллов. Этим фактором следует широко пользоваться при отработке радиационной технологии.
Анализ влияния облучения на диффузионные процессы позволяет выделить несколько аспектов этой широкой проблемы. Основная причина связана с тем, что под действием облучения в стационарном состоянии в материале устанавливается дополнительная концентрация дефектов, которая при определенных условиях может значительно превышать термодинамическиравновесную. Если температура облучения такова, что образующиеся дефекты обладают достаточной подвижностью, то это обстоятельство может привести к заметной интенсификации диффузионных процессов по сравнению с необлученным состоянием.
Дополнительно к стационарному механизму радиационно-стимулированной диффузии сотрудниками Имет АН СССР был предложен нестационарный механизм, когда коэффициент радиационной диффузии монотонно уменьшается в зависимости от продолжительности облучения.
В ХФТИ были проведены прямые измерения коэффициента радиационной самодиффузии никеля под действием облучения высоко-энергетическими заряженными частицами. При облучении протонами и ионами гелия установлена степенная зависимость коэффициента диффузии от скорости образования смещений. Энергия активации самодиффузии никеля под облучением оказывается втрое меньшей по сравнению с термической.
Хотя основной вклад в ускорение диффузии под облучением вносит избыточная концентрация точечных дефектов, дополнительное влияние могут оказывать, по-видимому, и другие факторы, не связанные с образованием смещений, о чем свидетельствуют данные о влиянии электронного облучения с энергией ниже порога образования смещений (220 кэв) на процесс упорядочения сплава Ni3Fe.
Советские ученые уделяют много внимания изучению механизма взаимодействия радиационных дефектов с атомами примесей. Такое взаимодействие в общем случае может оказывать влияние как на ускорение, так и на замедление диффузионных процессов под облучением.
В ИАЭ им. И. В. Курчатова были проведены исследования воздействия реакторного облучения на диффузию водорода и установлены закономерности изменения коэффициентов диффузии водорода в процессе облучения. В этом же институте изучались радиационная абсорбция гелия из окружающей среды и десорбция гелия с поверхности облученных образцов (аустенитные стали, борсодержащие материалы и др.). Оказалось, что десорбция проходит в несколько стадий, что обусловлено взаимодействием гелия с радиационными дефектами разных типов.
Сотрудниками ИФ АН ГССР показано, что температурная зависимость выделения трития из монокристалла фторида лития под облучением быстрыми нейтронами и γ-квантами не является монотонной, что объясняется наличием в кристалле дефектов различного типа, служащих ловушками для диффундирующих атомов трития.
В ИФ АН ГССР совместно с учеными из ГДР разработан метод радиационной низкотемпературной очистки монокристаллов высокочистого ниобия от примесей кислорода. Возникающая под облучением вакансия, захватывая атом примеси, образует подвижный комплекс, уходящий на стоки. В результате электропроводность образца резко возрастает.
Учеными ХФТИ обнаружено существенное отличие экспериментально определенной зависимости коэффициента самодиффузии никеля от скорости образования смещений при облучении высокоэнергетическими ионами водорода и гелия от теоретически рассчитанной. Это указывает на необходимость учета влияния атомов гелия и вакансионных кластеров, образующихся в процессе облучения, на кинетику отжига радиационных дефектов.
Безусловный интерес представляют исследования радиационно-стимулированных фазовых переходов. Облучение ядерными частицами мартенситных углеродистых сталей (Институт металловедения и физики металлов, ЦНИИчермет) привело к открытию ранее неизвестного явления — обратимых изменений параметров тетрагональной решетки. Эти изменения, возникающие как при комнатной, так и при низких температурах, вызваны переходом атомов внедрения под влиянием радиации из нормальных положений в положения, обусловленные радиационными точечными дефектами.
Протекание процессов радиационно-стимулированного распада в пересыщенных твердых растворах на основе урана существенно зависит от температуры облучения. Если облучение нейтронами при «реакторных» температурах ведет к интенсификации распада пересыщенного твердого раствора, то при низких (100—120°К) температурах происходит лишь накопление радиационных дефектов. Более того, наблюдается растворение мелкодисперсных выделений, т. е. гомогенизация двухфазового раствора, иными словами, предел растворимости возрастает (ВНИИНМ, ИФ АН ГССР).
Недавно обнаружен еще один тип радиационно-стимулированного фазового перехода (ФЭИ, ИФ АН ГССР). В гидридах циркония атомы водорода при достаточно низкой температуре образуют регулярную подрешетку, вставленную в решетку циркония. В условиях несоблюдения стехиометрических соотношений водородные вакансии, в свою очередь, также образуют сверхструктуру, вставленную в водородную подрешетку. При низкотемпературном нейтронном облучении этой системы малыми дозами водородно-вакансионная структура разрушается, т. е. происходит полиморфное превращение типа порядок — беспорядок. Структура подрешетки циркония при этом не меняется, хотя и испытывает радиационные повреждения.
Радиационно-стимулированные фазовые переходы наблюдались и в магнитных системах. Так, на ферритах было показано (ИФ АН ЛатвССР), что под действием электронного облучения может происходить изменение валентности катионов железа, а также низкотемпературный фазовый переход части катионов железа в состояние магнитного упорядочения. В ИФМ УНЦ АН СССР установлено, что под влиянием потока быстрых нейтронов в ферритах возникает новая магнитная фаза, точка Кюри смещается в сторону высоких температур, электрическое сопротивление возрастает в десять тысяч раз, ферриты становятся заметно более магнитножесткими, с возрастанием дозы петля гистерезиса увеличивается. Было определено, что под действием мощного потока у-квантов в процессе кристаллизации алюминия и его сплавов образующиеся монокристаллы обладают более совершенной структурой, так как при этом происходит более эффективная очистка от примесей и увеличивается степень дисперсности избыточной фазы, что повышает прочность сплавов.
Установлено, что радиационные дефекты ускоряют процесс распада твердых растворов. В то же время γ-облучение при температуре образования новой фазы задерживает распад твердого раствора на стадии старения (ИЯИ АН УССР).
К одному из проявлений фазового превращения типа порядок — беспорядок можно отнести аморфизацию кристаллической решетки под влиянием радиации. Изучая аморфизацию интерметаллидов урана, ученые (ВНИИНМ, ИФ АН ГССР) установили, что необходимое для этого значение флюенса тепловых нейтронов сильно зависит от температуры облучения: чем ниже температура, тем меньший нужен флюенс и тем легче протекает аморфизация.
Сравнение оптических свойств германия, облученного ионами опять-таки германия с энергией 40 кэв, и аморфного вещества, полученного напылением в вакууме, показало (ЛИЯФ им. Б. П. Константинова), что разупорядоченные области, созданные ионами, все же сохраняют кристаллическую структуру, в которой исчезает дальний порядок и изменяется ближний порядок (с возникновением новых элементов симметрии).
Математические эксперименты, посвященные аморфизации, были выполнены в последнее время в ИАЭ им. И. В. Курчатова для кристаллической решетки типа алмаза.
Крупным достижением советской РФТТ и радиационного материаловедения являются работы С. Т. Конобеевского и его сотрудников, в которых впервые была разработана теория радиационно-стимулированной диффузии, лежащая в основе гомогенизации сплавов под влиянием облучения. Этим важным вопросом занимались ученые в разных институтах Советского Союза.
Среди радиационных эффектов, во многом способствовавших бурному развитию РФТТ в связи с поиском материалов, пригодных для использования в условиях облучения, особо следует выделить радиационный рост урана.
Впервые с этим явлением советские ученые (ИАЭ им. И. В. Курчатова, ВНИИНМ, ХФТИ, ИТЭФ) встретились в начале 50-х годов, когда было обнаружено, что стержни из урана ведут себя под облучением самым неожиданным с точки зрения существовавших тогда представлений образом — непрерывно изменяют свою форму — «растут» так, что их длина в отдельных случаях увеличивается в два-три раза, В последующем это явление было обнаружено также на ряде материалов с анизотропной структурой.
Советскими учеными впервые в мире было определено, что облучение поликристаллического α-U в реакторе вызывает увеличение скорости ползучести в 50—100 раз, что обусловлено взаимодействием друг с другом «растущих» под облучением отдельных кристаллитов (ВНИИНМ). Другим следствием взаимодействия кристаллов под облучением является сильное «катастрофическое» распухание урана при относительно неглубоких выгораниях (ХФТИ). Наконец, в уране при определенных условиях развиваются газовое и вакансионное распухание (ХФТИ, НИИАР).
Проводились специальные исследования, направленные на подавление радиационного роста и распухания изделий из поликристаллического урана (ХФТИ, ВНИИНМ). Было показано, что сочетанием легирования и режима закалки можно значительно ослабить формоизменение сердечников из металлического α-U. Это обеспечило успешное применение таких сердечников в твэлах реакторов. Для понимания механизма влияния примесей на радиационный рост урана существенное значение имели эксперименты по радиационному росту урана при низких температурах облучения (ХФТИ, ИФ АН ГССР).
Советскими физиками предложено несколько моделей этого явления, в том числе модель анизотропных точечных дефектов (ВНИИНМ) и диффузионно-дислокационная модель, основанная на предположении о зависимости способности дислокации поглощать точечные дефекты от ее ориентации относительно кристаллографических осей (ИФ АН ГССР).
Для описания явления, а также с целью прогнозирования радиационного роста текстурированных поликристаллов α-U в ХФТИ разработана макроскопическая модель, в которой деформация радиационного роста рассматривается как результат релаксации внутренних напряжений, обусловленных взаимодействием при радиационном росте различным образом ориентированных кристаллитов.
Учитывая значения прочностных характеристик для работоспособности элементов конструкции твэлов, советские исследователи большое внимание уделяли изучению влияния облучения на механические свойства реакторных материалов.
Учеными ИАЭ и ФЭИ были обнаружены явления низкотемпературного радиационного охрупчивания и эффект повышения прочностных свойств под облучением, обусловленные взаимодействием дислокаций с радиационными дефектами.
Высокая концентрация точечных дефектов и радиационно-стимулированная диффузия приводят к значительному увеличению скорости ползучести под облучением, которая подробно изучалась, в частности, в ИЯИ АН УССР. В работах, выполненных в ХФТИ, был предложен новый, диффузионно-дислокационный, механизм ползучести кристаллов и исследовано влияние облучения на пластическую деформацию кристаллов.
С процессами радиационно-стимулированной диффузии тесно связана радиационная релаксация напряжений. В ИАЭ им. И, В. Курчатова и ВНИИНМ на примере урана и сплавов на его основе впервые в мире было показано, что облучение нейтронами вызывает многократное ускорение релаксации напряжений. При этом релаксируют не только макро-, но и микронарушения, возникающие, например, а холодно деформированных образцах. Одним из интересных эффектов, сопровождающих отжиг облученных ионных кристаллов (CaFe, MgO и др.), является возникновение при нагреве кристаллов электромагнитного излучения в диапазоне радиочастот. По своей интенсивности это излучение (эффект открыт в ТПИ им. С. М. Кирова) на несколько порядков превышает интенсивность электромагнитного излучения необлученными кристаллами. Обнаружено, что металлы, принадлежащие к одной и той же сингонии, после облучения нейтронами разупрочняются при отжиге в результате протекания совершенно различных процессов: для металлов с о.ц.к- решеткой — это полигонизация, для г.ц.к-металлов — рекристаллизация.
Группой сотрудников ИАЭ одновременно с зарубежными учеными было открыто явление высокотемпературного радиационного охрупчивания (ВТРО) аустенитных сталей. Это явление было тщательно изучено и установлена его связь с накоплением под облучением в конструкционных материалах гелия за счет (η, α-реакций. В специальных имитационных экспериментах (ВНИИНМ, ИАЭ, ХФТИ) изучено влияние атомов гелия, введенных путем бомбардировки на ускорителях, на структуру и свойства основных конструкционных материалов и показано, что гелий является одной из основных причин высокотемпературного радиационного охрупчивания.
Согласно предложенной гипотезе, насыщение образцов гелием подавляет полигонизацию и рекристаллизацию во время высокотемпературной деформации, упрочняет тело зерна и несколько ослабляет границы зерен за счет образования на них гелиевых пузырьков. Это нарушает баланс относительной прочности и пластичности тела и границ зерен и приводит к межзеренному разрушению и охрупчиванию.
В настоящее время общепризнано, что основным явлением, которое ограничивает использование материалов в энергетических реакторах на быстрых нейтронах, является вакансионное распухание. Это явление в конструкционных аустенитных сталях наблюдается при температуре ≈500°С, отвечающей области рабочих температур реакторов на быстрых нейтронах.
Интенсивное образование пор в процессе облучения происходит из-за некоторой асимметрии в способности дислокации поглощать вакансии и межузельные атомы, что вызывает преимущественное осаждение вакансий на порах, а межузельных атомов — на дислокациях. В конечном итоге это приводит к увеличению объема кристалла — распуханию, что крайне нежелательно для материалов. Теоретические аспекты этой проблемы исследовались в ИАЭ им. И. В. Курчатова, ФЭИ, ХФТИ и др. Эмпирические закономерности распухания оболочек твэлов под влиянием быстрых нейтронов были выведены в НИИАР (г. Димитровград), распухание при бомбардировке ионами изучалось в ХФТИ и ФЭИ.
В настоящее время разработана модель коалесценции в металле пор, возникающих из пересыщенного раствора вакансий, позволяющая получить близкие к реальным плотность и распределение пор по размерам (ХФТИ, ИАЭ им. И. В. Курчатова).
В последние годы развита теория возникновения радиационных пор в металле, предложено новое объяснение ограниченности температурного интервала существования вакансионной пористости в облученных металлических образцах и его зависимости от скорости образования пар Френкеля при действии бомбардирующих частиц (ФЭИ). Получена полная система уравнений, описывающая распределение движущихся пор и межузельных дислокационных петель по размерам для каждой точки кристалла. Найдено общее решение этой системы уравнений.
Как указывалось выше, недостаточная стойкость материалов под облучением является основным фактором, сдерживающим темп развития ядерных реакторов на быстрых нейтронах. Положение осложняется тем, что в настоящее время не существует источников быстрых нейтронов, которые позволяли бы достигать характерных для этих реакторов значений флюенса 2—3-1023 см-2 за приемлемый промежуток времени. Еще более остро этот вопрос стоит перед учеными и конструкторами, работающими в области управляемого термоядерного синтеза.
Весьма перспективно, с этой точки зрения, для моделирования процессов, протекающих в материалах под нейтронным облучением, использовать ускорители тяжелых частиц. Получаемые на ускорителях пучки тяжелых ионов позволяют в короткий срок (за несколько часов) достигать в материалах такого уровня радиационного повреждения (например, числа смещений на атом), который в современных реакторах может быть достигнут за много лет эксплуатации. В связи с этим в последние годы возрос интерес советских ученых к использованию ускорителей для имитации и изучения явлений, протекающих в материалах реакторов (ХФТИ, ФЭИ, ВНИИНМ, ИАЭ им. И. В. Курчатова, ИЯФ АН КазССР и др.).
Для изучения механизмов возникновения структурных нарушений в материалах при облучении чрезвычайно важно знать энергетический спектр первично выбитых атомов (ПВА) и их пространственное распределение. В работах ХФТИ рассмотрены механизмы образования ПВА при облучении различных металлов быстрыми протонами, тяжелыми ионами, электронами, γ-квантами и нейтронами. Исследованы особенности взаимодействия высокоэнергетических электронов и γ-квантов с веществом. Экспериментально и теоретически показано, что вклад неупругих процессов в изменение свойств твердых тел при больших переданных ядру энергиях становится определяющим. С помощью автононной микроскопии исследованы радиационные повреждения вольфрама, облученного высокоэнергетическими электронами.
Применение ускорителей для изучения вакансионного распухания позволило в короткий срок исследовать стойкость к распуханию большой группы материалов при уровне радиационных повреждений, составляющем сотни смещений на атом, в широком диапазоне температур и других параметров эксперимента (ХФГИ, ФЭИ, ОИЯИ). Большинство работ советских ученых по распуханию материалов выполнено при облучении на ускорителях типа ЛИУ-100 (энергия 100 кэв), которые позволяют воспроизводить спектр первично выбитых атомов, возникающих при облучении в реакторе. Однако малая глубина проникновения тяжелых ионов таких энергий (~300А) ограничивает представительность полученных результатов. В связи с этим в последние годы в нашей стране выполнены работы по созданию новых и модернизации действующих высокоэнергетичных ускорителей тяжелых ионов для материаловедческих целей.
В ХФТИ разработан специальный материаловедческий ускоритель ЭСУВИ тяжелых ионоя (W, Fe, Мо и др.) с энергией 5—10 Мэв. На этом ускорителе впервые в стране проведена большая серия экспериментов по облучению конструкционных материалов высокоэнергетическими ионами. Показано, что введение в никель добавок скандия в пределах твердого раствора существенно снижает его распухание.
Впервые обнаружено образование двух систем пор («крупных» и «мелких») в никеле, облученном ионами ксенона с энергией 2 Мэв. Предполагается, что мелкие поры наполнены газом при давлении, препятствующем их исчезновению путем коалесценции, а крупные имеют в основном вакансионную природу. Показано, что наличие в кристаллах высокой плотности петель снижает склонность к порообразованию и, наоборот, для структур с большим количеством пор характерна малая плотность петель (ХФТИ).
Использование ускорителей заряженных частиц открыло принципиально новые пути изучения и внесло значительный вклад в формирование представлений о механизме ВТРО. Долгое время спорным оставался вопрос о роли гелия в ВТРО, так как при реакторных испытаниях накопление радиационных повреждений и атомов гелия происходит одновременно. Исследование структуры и механических свойств никеля, железа и стали 0Х16Н15МЗБ после облучения а-частицами и электронами с энергией выше и ниже порога ядерных реакций позволило доказать определяющую роль гелия в процессах ВТРО.
В ХФТИ впервые в мире обнаружен радиационный рост урана при электронном облучении. Показано, что радиационный рост не наблюдается, если энергия электронов ниже порога фоторождения. Коэффициент радиационного роста урана, иницируемого электронным облучением, обнаруживает аномально высокие значения (7-104 при температуре облучения 110—160°С).
Применение ускорителей открывает большие возможности и для экспериментального изучения различных процессов, контролируемых диффузией: само- и гетеродиффузия, окисление, высокотемпературная ползучесть и т. п., поскольку в этом случае скорость образования смещений может легко варьировать в широком интервале значений.
Ускорители заряженных частиц ХФТИ с успехом использовались и при изучении радиационно-стимулированной диффузии и высокотемпературного окисления. Было установлено, что электронное облучение значительно ускоряет процесс параболического окисления меди. Обнаружен эффект направленного воздействия потока электронов на скорость окисления. Внешне это явление имеет сходство с известным действием «электронного ветра» на процессы диффузии, хотя природа его может быть и другой.
Интересные возможности для изучения состояния вещества в треках частиц открылись в связи с развитием импульсных наносекундного диапазона сильноточных источников ускоренных электронов, мощность которых сейчас достигает уже 1013 вт (ТПИ им. С. М. Кирова, ХФТИ, ИОА СО АН СССР и др.). Это позволило создавать и исследовать в макрообъеме такие же плотности электронных возбуждений, что и в треке быстрой частицы. В работах сибирских ученых обнаружен ряд таких необычных явлений, как хрупкое разрушение ионных и ковалентных кристаллов, стекол и т. д. в результате сверхмощного излучения.
Ускорители заряженных частиц в настоящее время используются также для моделирования процессов, происходящих при взаимодействии плазмы термоядерных реакторов с поверхностью первой стенки. В ИАЭ им. И. В. Курчатова, МИФИ, ХФТИ исследуются распыление и блистеринг при бомбардировке ионами водорода и гелия различных материалов. Показано, что блистерообразование наблюдается при внедрении ионов водорода как в металлах с небольшой растворимостью водорода (Al, Ni, Мо), так и в ванадии (наблюдалось впервые), который характеризуется высокой растворимостью водорода.
За последние годы также значительно шагнула вперед и техника реакторного облучения (см. гл. 8). Созданы внутриканальные и внутриреакторные установки, позволяющие проводить испытания на радиационную стойкость в условиях механических, электрических, магнитных и других воздействий, имитирующих реальные условия работы испытываемых материалов, что имеет принципиально важное значение для развития исследований по радиационной физике твердого тела и радиационному материаловедению.
