Смещения на атом

Смещения на атом — это термин, используемый в нескольких научных и технических дисциплинах для обозначения явления, при котором атомы в кристаллической решётке или молекулярной структуре отклоняются от своего равновесного положения под воздействием внешних факторов. В материаловедении и физике твёрдого тела под этим термином чаще всего понимают радиационные смещения — перемещение атомов из узлов кристаллической решётки в результате бомбардировки материала высокоэнергетическими частицами (нейтронами, ионами, электронами). В квантовой химии и спектроскопии смещения на атом могут относиться к изменениям координат атомов в молекуле при колебательных или электронных переходах. В контексте ядерной энергетики и радиационного материаловедения смещения на атом (displacements per atom, dpa) являются ключевой единицей измерения радиационного повреждения.

Физическая природа смещений на атом

Механизмы смещения

Основной механизм смещения атома в кристаллической решётке — передача кинетической энергии от налетающей частицы (например, нейтрона или иона) атому решётки. Если переданная энергия превышает пороговую энергию смещения (E_d), атом покидает свой узел, образуя вакансию и межузельный атом (дефект по Френкелю). Пороговая энергия смещения зависит от материала и кристаллографического направления; для большинства металлов она составляет 20–40 эВ, для графита — около 30 эВ, для кремния — 15–20 эВ.

Процесс смещения может быть прямым (первичное столкновение) или каскадным (вторичные и третичные столкновения). При высоких энергиях налетающей частицы (свыше 10 кэВ) развивается каскад смещений — область, в которой тысячи атомов временно выбиваются из узлов, образуя зону разупорядочения. После релаксации часть дефектов рекомбинирует, часть остаётся в виде стабильных точечных дефектов.

Пороговая энергия смещения

Пороговая энергия смещения (E_d) — минимальная кинетическая энергия, которую необходимо передать атому, чтобы он покинул равновесное положение. E_d не является константой материала: она зависит от направления передачи импульса относительно кристаллографических осей. Например, в железе E_d минимальна вдоль направления <100> (около 17 эВ) и максимальна вдоль <111> (около 40 эВ). Вольфрам имеет E_d около 40–50 эВ, медь — 25–30 эВ. Для поликристаллических материалов часто используют усреднённое значение.

Единица измерения: смещения на атом (dpa)

Определение

Смещения на атом (displacements per atom, dpa) — безразмерная величина, равная среднему числу атомов, смещённых из узлов решётки, приходящемуся на один атом материала. Один dpa означает, что каждый атом в среднем был смещён один раз. На практике dpa — интегральная мера радиационного повреждения, используемая для прогнозирования изменения свойств материалов под облучением.

Расчёт dpa

Расчёт dpa производится на основе модели Кинчина-Пиза (Kinchin-Pease) или её модификации — модели Норгетта-Робинсона-Торренса (NRT). В упрощённом виде число смещённых атомов N_d, создаваемых одной первично выбитой частицей с энергией E, определяется по формуле:

N_d = 0,8 E / (2 E_d)

где 0,8 — эмпирический поправочный коэффициент, учитывающий неупругие потери энергии. Для практических расчётов dpa в реакторных условиях используются специализированные программы (SPECTER, NJOY, MCNP), которые учитывают спектр нейтронов, сечения реакций и каскадные процессы.

Типичные значения dpa

В корпусах водо-водяных реакторов (ВВЭР) за 30–40 лет эксплуатации накапливается 0,1–1 dpa.
В оболочках твэлов быстрых реакторов — до 100–200 dpa.
В материалах первой стенки термоядерного реактора (ITER) прогнозируется до 10–20 dpa за срок службы.
В ускорителях и мишенях нейтронных источников — до 1000 dpa и более.

Влияние смещений на свойства материалов

Радиационное упрочнение и охрупчивание

Накопление точечных дефектов и их кластеров (дислокационных петель, пор, вакансионных кластеров) приводит к увеличению предела текучести и твёрдости (радиационное упрочнение). Одновременно снижается пластичность и вязкость разрушения, особенно при низких температурах (радиационное охрупчивание). Для сталей корпусов реакторов критическим считается уровень dpa, при котором температура вязко-хрупкого перехода смещается выше рабочей температуры (обычно 0,1–0,5 dpa).

Радиационное распухание

При высоких дозах (свыше 10 dpa) в аустенитных сталях и сплавах наблюдается распухание — увеличение объёма материала за счёт образования и роста пор, заполненных вакансиями. Распухание может достигать 10–30% и приводит к деформации и разрушению конструкционных элементов. Для борьбы с распуханием применяют легирование (например, добавление титана, фосфора) и использование ферритно-мартенситных сталей, более устойчивых к этому эффекту.

Радиационная ползучесть

Под действием постоянной нагрузки и облучения материал испытывает радиационно-стимулированную ползучесть — ускоренную деформацию при напряжениях, значительно ниже предела текучести. Скорость ползучести пропорциональна dpa и напряжению. Этот эффект важен для оценки долговременной прочности твэлов и других элементов активной зоны.

Применение понятия смещений на атом

Ядерная энергетика

В реакторостроении dpa является основным критерием для назначения ресурса и срока службы конструкционных материалов. Для каждого типа реактора и материала установлены предельные значения dpa, при превышении которых требуется замена оборудования. Например, для корпусов ВВЭР-1000 предельное значение составляет около 0,5 dpa, для корпусов реакторов РБМК — 0,2–0,3 dpa.

Материаловедение и ионная имплантация

В ионной имплантации (полупроводниковая промышленность) смещения на атом используются для оценки степени аморфизации кремния. При дозах облучения, соответствующих 0,1–0,5 dpa, кремний переходит в аморфное состояние, что используется для создания легированных слоёв и изоляции.

Термоядерный синтез

Для материалов первой стенки и дивертора термоядерных реакторов (вольфрам, бериллий, графит) dpa является ключевым параметром при выборе материалов. Вольфрам, например, сохраняет работоспособность до 1–5 dpa, после чего начинается интенсивное растрескивание и эрозия.

Методы измерения и моделирования

Экспериментальные методы

Прямое измерение dpa в материале невозможно; его оценивают косвенно:

По изменению электросопротивления (накопление дефектов увеличивает сопротивление).
По изменению периода решётки (рентгеновская дифрактометрия).
По микроструктуре (просвечивающая электронная микроскопия — подсчёт дефектов).
По изменению механических свойств (твёрдость, вязкость).

Компьютерное моделирование

Для расчёта dpa применяются методы Монте-Карло (коды SRIM, TRIM, MCNP) и молекулярной динамики (LAMMPS, PARCAS). Моделирование позволяет воспроизвести каскады смещений, оценить число остаточных дефектов и их распределение. Современные подходы (например, метод ускоренного молекулярно-динамического моделирования) позволяют рассчитывать dpa для сложных многокомпонентных сплавов.