El dany per radiació és l'efecte de la radiació ionitzant sobre objectes físics, inclosos els materials estructurals no vius. Pot ser perjudicial o beneficiós per als materials.
La radiobiologia és l'estudi de l'acció de la radiació ionitzant sobre els éssers vius, incloent-hi els efectes de la radiació sobre la salut dels humans. Les dosis elevades de radiació ionitzant poden causar danys als teixits vius, com ara cremades per radiació i mutacions nocives com ara fer que les cèl·lules es tornin canceroses, i poden provocar problemes de salut com ara intoxicació per radiació.
Causes Aquesta radiació pot adoptar diverses formes:
Raigs còsmics i partícules energètiques posteriors causades per la seva col·lisió amb l'atmosfera i altres materials. Productes derivats radioactius (radioisòtops) causats per la col·lisió dels raigs còsmics amb l'atmosfera i altres materials, inclosos els teixits vius. Feixos de partícules energètiques d'un accelerador de partícules. Partícules energètiques o radiació electromagnètica (raigs X) alliberades per col·lisions d'aquestes partícules amb un objectiu, com en una màquina de raigs X o incidentalment en l'ús d'un accelerador de partícules. Partícules o diversos tipus de raigs alliberats per la desintegració radioactiva d'elements, que poden ser naturals, creades per col·lisions d'acceleradors o creades en un reactor nuclear. Poden ser fabricats per a ús terapèutic o industrial, alliberats accidentalment per un accident nuclear, alliberats intencionadament per una bomba bruta o alliberats a l'atmosfera, el sòl o l'oceà com a incident a l'explosió d'una arma nuclear per a la guerra o proves nuclears.
Efectes sobre materials i dispositius La radiació pot afectar els materials i els dispositius de maneres nocives i beneficioses:
Fent que els materials es tornin radioactius (principalment per activació de neutrons o en presència de radiació gamma d'alta energia per fotodesintegració). Per transmutació nuclear dels elements dins del material, incloent-hi, per exemple, la producció d'hidrogen i heli, que al seu torn poden alterar les propietats mecàniques dels materials i causar inflor i fragilització. Per radiòlisi (trencament d'enllaços químics) dins del material, que pot debilitar-lo, fer que s'infli, polimeritzar, promoure la corrosió, causar encongiment, promoure l'esquerdament o canviar les seves propietats mecàniques, òptiques o electròniques desitjables. D'altra banda, la radiòlisi també es pot utilitzar per induir la reticulació dels polímers, cosa que els pot endurir o fer-los més resistents a l'aigua. Per formació de compostos reactius, que afecten altres materials (per exemple, esquerdament de l'ozó per l'ozó format per la ionització de l'aire). Per ionització, causant avaria elèctrica, particularment en semiconductors emprats en equips electrònics, amb corrents subsegüents que introdueixen errors de funcionament o fins i tot danyen permanentment els dispositius. Els dispositius destinats a entorns d'alta radiació com la indústria nuclear i aplicacions extraatmosfèriques (espacials) poden ser difícils de resistir a la radiació aquests efectes mitjançant el disseny, la selecció de materials i els mètodes de fabricació. Introduint dopants o defectes per implantació iònica per modificar la seva funcionalitat elèctrica de la manera desitjada Per tractar el càncer mitjançant irradiació d'electrons, raigs gamma o ions o mitjançant teràpia de captura de neutrons de bor.
Molts dels efectes de la radiació sobre els materials es produeixen per cascades de col·lisions i estan coberts per la química de la radiació.
Efectes sobre metalls i formigó La radiació pot tenir efectes nocius sobre els materials sòlids, ja que pot degradar les seves propietats de manera que ja no siguin mecànicament sòlids. Això és especialment preocupant, ja que pot afectar considerablement la seva capacitat per funcionar en reactors nuclears i és l'èmfasi de la ciència de materials radioactius, que busca mitigar aquest perill.
A causa del seu ús i de l'exposició a la radiació, els efectes sobre els metalls i el formigó són àrees d'estudi particulars. En el cas dels metalls, l'exposició a la radiació pot provocar un enduriment per radiació, que enforteix el material i posteriorment el fragilitza (redueix la tenacitat, permetent que es produeixi una fractura fràgil). Això passa com a resultat de l'expulsió d'àtoms dels seus llocs de xarxa tant a través de la interacció inicial com d'una cascada de danys resultant, que condueix a la creació de defectes i dislocacions (similar a l'enduriment per deformació i l'enduriment per precipitació). S'ha demostrat que l'enginyeria dels límits de gra mitjançant el processament termomecànic mitiga aquests efectes canviant el mode de fractura d'intergranular (que es produeix al llarg dels límits de gra) a transgranular. Això augmenta la resistència del material, mitigant l'efecte fragilitzant de la radiació. La radiació també pot conduir a la segregació i difusió d'àtoms dins dels materials, donant lloc a la segregació de fases i buits, així com a la intensificació dels efectes de l'esquerdament per corrosió sota tensió a través de canvis tant en la química de l'aigua com en la microestructura de l'aliatge.
Com que el formigó s'utilitza àmpliament en la construcció de centrals nuclears, on proporciona estructura a més de contenir la radiació, l'efecte de la radiació sobre aquest també és de gran interès. Durant la seva vida útil, el formigó canviarà de propietats de manera natural a causa del seu procés d'envelliment normal, però l'exposició nuclear comportarà una pèrdua de propietats mecàniques a causa de la inflor dels àrids del formigó i, per tant, danyaria el material a granel. Per exemple, l'escut biològic del reactor sovint està compost de ciment Portland, on s'afegeixen agregats densos per disminuir el flux de radiació a través de l'escut. Aquests agregats poden inflar-se i fer que l'escut sigui mecànicament insòlit. Nombrosos estudis han demostrat disminucions tant en la resistència a la compressió com a la tracció, així com en el mòdul elàstic del formigó a una dosi d'uns 10 19 neutrons per centímetre quadrat. També es va demostrar que aquestes tendències existien en el formigó armat, un compost de formigó i acer.
El coneixement obtingut de les anàlisis actuals de materials en reactors de fissió pel que fa als efectes de la temperatura, la dosi d'irradiació, les composicions dels materials i els tractaments superficials serà útil en el disseny de futurs reactors de fissió, així com en el desenvolupament de reactors de fusió.
Els sòlids sotmesos a radiació són bombardejats constantment amb partícules d'alta energia. La interacció entre les partícules i els àtoms de la xarxa dels materials del reactor provoca el desplaçament dels àtoms. Durant el transcurs del bombardeig sostingut, alguns dels àtoms no arriben a descansar en els llocs de la xarxa, cosa que provoca la creació de defectes. Aquests defectes provoquen canvis en la microestructura del material i, en última instància, donen lloc a diversos efectes de radiació.
Esdeveniment de danys per radiació Interacció d'una partícula incident energètica amb un àtom de xarxa Transferència d'energia cinètica a l'àtom de la xarxa, donant lloc a un àtom de desplaçament primari Desplaçament de l'àtom del seu lloc de xarxa Moviment de l'àtom a través de la xarxa, creant àtoms desplaçats addicionals Producció de cascada de desplaçament (col·lecció de defectes puntuals creats per l'àtom de desplaçament primari) Terminació de l'àtom de desplaçament com a intersticial
Secció transversal de radiació La probabilitat d'una interacció entre dos àtoms depèn de la secció transversal de neutrons tèrmics (mesurada en barn). Donada una secció transversal macroscòpica de (on és la secció transversal microscòpica, i és la densitat d'àtoms a la diana), i una velocitat de reacció de (on és el flux del feix), la probabilitat d'interacció esdevé . A continuació es mostren les seccions transversals d'àtoms o aliatges comuns.
Seccions transversals de neutrons tèrmics (Barn) Magnesi0,059Plom0,17Zirconi0,18Zircaloy-40,22Alumini0,23Ferro2,56Acer inoxidable austenític3.1Níquel4.5Titani6.1Hafni104Bor750Cadmi2520Gadolini48.890
Evolució microestructural sota irradiació L'evolució microestructural del material és impulsada per l'acumulació de defectes durant un període de radiació sostinguda. Aquesta acumulació està limitada per la recombinació de defectes, per l'agrupació de defectes i per l'aniquilació de defectes als embornals. Els defectes han de migrar tèrmicament als lavabos i, en fer-ho, sovint es recombinen o arriben als lavabos per recombinar-se. En la majoria dels casos, D rad = D v C v + D i C i >> D therm, és a dir, el moviment dels intersticials i les vacants al llarg de l'estructura reticular d'un material com a resultat de la radiació sovint supera la difusió tèrmica del mateix material.
Una conseqüència d'un flux de vacants cap als embornals és un flux corresponent d'àtoms lluny del embornal. Si les vacants no s'anihilen o es recombinen abans d'acumular-se als embornals, formaran buits. A una temperatura prou alta, depenent del material, aquests buits es poden omplir amb gasos procedents de la descomposició de l'aliatge, cosa que provoca una inflor del material. Aquest és un problema enorme per a materials sensibles a la pressió o restringits que estan sota bombardeig de radiació constant, com els reactors d'aigua a pressió. En molts casos, el flux de radiació no és estequiomètric, cosa que provoca segregació dins de l'aliatge. Aquest flux no estequiomètric pot provocar un canvi significatiu en la composició local prop dels límits de gra, on es veu impedit el moviment dels àtoms i les dislocacions. Quan aquest flux continua, l'enriquiment de soluts als embornals pot provocar la precipitació de noves fases.
Efectes termomecànics de la irradiació Enduriment L'enduriment per radiació és l'enfortiment del material en qüestió mitjançant la introducció de clústers de defectes, complexos de clústers d'impureses-defectes, bucles de dislocació, línies de dislocació, buits, bombolles i precipitats. En el cas dels recipients a pressió, la pèrdua de ductilitat que es produeix com a resultat de l'augment de la duresa és una preocupació particular.
Fragilització La fragilització per radiació provoca una reducció de l'energia de fractura, a causa d'una reducció de l'enduriment per deformació (ja que l'enduriment ja es produeix durant la irradiació). Això està motivat per raons molt similars a les que causen l'enduriment per radiació; desenvolupament de clústers de defectes, dislocacions, buits i precipitats. Les variacions en aquests paràmetres fan que la quantitat exacta de fragilització sigui difícil de predir, però els valors generalitzats per a la mesura mostren una consistència predictible.
Arrossegament La fluència tèrmica en materials irradiats és insignificant, en comparació amb la fluència per irradiació, que pot superar els 10⁻⁶ seg⁻¹. El mecanisme no són les difusivitats augmentades, com seria intuïtiu a partir de la temperatura elevada, sinó la interacció entre l'estrès i la microestructura en desenvolupament. L'estrès indueix la nucleació de nanses i provoca una absorció preferencial dels intersticials a les luxacions, cosa que provoca inflor. La inflor, en combinació amb la fragilització i l'enduriment, pot tenir efectes desastrosos en qualsevol material nuclear sota una pressió substancial.
Creixement El creixement en materials irradiats és causat per la diferència d'anisotropia de difusió (DAD). Aquest fenomen es produeix freqüentment en el zirconi, el grafit i el magnesi a causa de les seves propietats naturals.
Conductivitat