Радиационная стойкость технической керамики

В ряде случаев по условиям эксплуатации керамика подвергается действию ионизирующих излучений, например, в энергетических атомных установках, вакуумных и некоторых других приборах. Радиационная стойкость представляет собой способность керамики, как, впрочем, и других материалов, сохранять свои свойства под действием определенной дозы ионизирующего излучения. Радиационную стойкость принято оценивать интегральной дозой излучения, которая не приводит к изменению свойств керамики в определенных пределах, а также мощностью дозы облучения.

Интегральная доза облучения определяется как произведение величины потока нейтронов на время облучения (н/см²). Мощность облучения представляет собой величину потока нейтронов, проходящих через единицу поверхности облучаемой керамики в единицу времени [н/(см²*с)]. В полях ионизирующих излучений на керамику действуют гамма-кванты и нейтроны. Нейтроны подразделяются по своей энергии на тепловые (с энергией от 0,025 до 1 эв), промежуточные (с энергией от 1 до нескольких тысяч эв) и быстрые (с энергией более 100 кэв). Поэтому следует различать действие нейтронов, обладающих разной энергией, на результат облучения.

Радиационное облучение вызывает структурные изменения и искажения как в кристаллической фазе, так и в стекловидной составляющей керамики, следствием которых является изменение ряда ее свойств. Изменяются плотность и соответственно размеры изделия, а также механические, теплофизические и электрофизические свойства. Степень радиационного повреждения керамических материалов зависит от поглощенного излучения в единице объема. Поглощение рентгеновских, гамма-лучей сопровождается потерей их энергии в результате фотоэффекта, комптон-эффекта и эффекта образования пор.

Нейтроны, взаимодействуя с веществом керамики, рассеиваются на ядрах атомов, или происходит их захват. Различают упругое рассеивание нейтронов, при котором не происходит их захвата, а лишь потеря ими кинетической энергии. Если захват нейтрона сопровождается распадом ядра с испусканием вторичного нейтрона и образованием стабильного радиоактивного ядра отдачи и испусканием гамма-квантов, то такое взаимодействие называется неупругим рассеиванием нейтрона. Суммарный процесс взаимодействия нейтронов всех видов с ядрами элементов, подвергающихся облучению, оценивается по так называемому «сечению рассеивания». «Сечение рассеивания» характеризует вероятность, с которой может произойти данная ядерная реакция. Оно имеет размерность площади и выражается в барнах (1 барн = 10^-24 см²).

Захватом называют такой вид взаимодействия нейтрона с ядром, при котором происходит главным образом неупругое рассеивание. Вероятность, с которой может произойти захват нейтрона ядром, оценивается «сечением захвата» также в барнах. Захват нейтронов вызывает распад ядра и сопровождается испусканием вторичных нейтронов, протонов, β- и γ-частиц и ядерных осколков. Таким образом, захват и рассеивание по своему действию различаются и вызывают различные последствия. Захват вызывает более глубокие изменения ядра и сопровождается образованием новых изотопов. Рассеивание вызывает главным образом структурные изменения и сопровождается образованием стабильных ядер отдачи. С уменьшением поперечного «сечения рассеивания» вероятность реакции снижается. В таблице приведены значения поперечного сечения захвата и рассеивания некоторых оксидных материалов, находящих применение в ядерной энергетике.

Ядерные свойства некоторых видов керамических материалов

Наиболее значительные радиационные повреждения, результатом которых является изменение некоторых физических свойств, вызывают быстрые нейтроны.

Гамма-излучение не вызывает существенных изменений в кристаллической фазе большинства видов технической керамики: оксидной, высокоглиноземистой, кордиеритовой, форстеритовой, стеатитовой и др. Стекловидная фаза этих видов керамики подвержена незначительному изменению при дозе облучения 10¹³ н/см².

При облучении нейтронами большинства видов технической керамики заметные изменения наблюдаются при интегральном потоке 10²⁰ н/см², при некотором колебании этого значения для разных видов керамики. Как правило, при нейтронном облучении изделия технической керамики увеличиваются в размерах вследствие расширения кристаллической решетки примерно на 0,1—0,3%. Плотность соответственно снижается на 0,2—0,5%, а пористость увеличивается. Отмечается, что моноклинный диоксид циркония под влиянием облучения в дозах от 10¹⁹ до 10²⁰ н/см² переходит в кубическую форму. Аналогичное явление перехода из тетрагональной в кубическую форму отмечается при облучении нейтронами титаната бария дозой 1,8-10²⁰ н/см².

Многочисленные исследования показывают, что устойчивость к облучению керамики, имеющей связи «катион— кислород», уменьшается в следующем порядке: Be, Al, Zr, Si — О. Наиболее устойчивой связью оказывается ионная, менее устойчивы ковалентная и молекулярная. Исследователи отмечают, что наиболее устойчивы к облучению кристаллические структуры с плотной упаковкой. Наибольшая устойчивость присуща простым структурам с высокой симметрией в отличие от анизотропных. В таблице приведены данные изменения линейных размеров некоторых материалов технической керамики при облучении.

Изменение линейных размеров керамического материала при облучении

При нейтронном облучении технической керамики дозой до 10²⁰ н/см² наблюдается закономерное увеличение коэффициента линейного расширения, достигающего для оксидной, муллитокорундовой, рутиловой, цельзиановой, форстеритовой и других видов керамики на 1*10^-6 °С^-1. Вследствие нарушения межкристаллических связей после облучения происходит некоторое снижение механической прочности керамики и ее твердости. При облучении керамики гамма-квантами дозой 10¹⁰ ее механическая прочность практически не меняется.

Радиационное облучение вызывает изменение электрофизических свойств технической керамики. Диэлектрические потери, как правило, возрастают, диэлектрическая проницаемость и пробивная напряженность для различных материалов носит переменный характер, но, как правило, изменяется мало. Весьма существенно меняет облучение теплопроводность керамики. Так, по некоторым данным, теплопроводность некоторых видов керамики снижается на порядок. Термостойкость керамики соответственно уменьшается.

При облучении нейтронами некоторых видов керамики происходит выделение газа, что может привести к засорению вакуумного устройства с участием керамики. В результате распада самих нейтронов выделяется водород, а в результате взаимодействия нейтронов с ядрами, входящими в состав керамики, образуются инертные газы. Особенно способствуют выделению инертных газов оксиды В₂О₃, Fe₂О₃, ВаО, К₂О, находящиеся в составе керамики. Кроме того, под влиянием излучения возможно протекание ряда химических реакций, сопровождающихся выделением газов. Например, при облучении ВеО в результате диссоциации и других реакций выделяются СО, СО₂, Н₂О, О₂, Не в количестве 1 см³ на 1 см³ ВеО.

Дефекты кристаллической решетки в керамическом материале и возникшие в связи с этим изменения свойств могут быть значительно уменьшены, свойства восстановлены путем термообработки (обжига) керамики. В результате возросшего теплового колебания структурных элементов кристаллическая решетка приобретает первоначальное состояние, а свойства керамики почти полностью восстанавливаются.