Реактор экзаменует металлы
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
На экране электронного микроскопа я вижу изображение облученного нейтронами металла. Электроны просвечивают тонкую пластинку насквозь, создавая четкий рисунок внутренней структуры. На ярком зеленом фоне отчетливо видны темные точки, изломанные линии, замкнутые петли. Размер точек всего 50—100 ангстремов. Это скопление «бездомных» атомов, так называемые кластеры. А группы слившихся пустот-вакансий образуют в металле хорошо различимые микрополости.
Мощь атомных электростанций — это преобразованная в электричество энергия нейтронов. Они рождаются в реакторах в результате деления атомов урана или плутония. Но нейтроны не только нагревают воду, превращая ее в пар, вращающий турбины. Они пронизывают все детали реактора. Физики, впервые наблюдавшие нейтронное излучение, были поражены его проникающей способностью: заметно ослабить нейтроны не могли даже толстые свинцовые экраны.
Тем не менее, металлы не совсем прозрачны для нейтронов. Хотя большинство частиц действительно проникает сквозь них беспрепятственно, отдельные нейтроны сталкиваются с атомами вещества. И это не проходит бесследно. Атомы материала сдвигаются с «насиженных» мест, а после встречи с особо энергичными нейтронами вообще вылетают из узлов кристаллической решетки.
Смещенные атомы, как правило, вскоре возвращаются на свои прежние места, но некоторые из них, переняв от нейтронов энергию, сами превращаются в орудие разрушения. На их пути нарушается стройность, которая делает кристаллы классическим образцом всеобщей симметрии. Зияют пустотой покинутые атомами узлы кристаллической решетки — вакансии, а где-то рядом блуждают их бывшие хозяева.
Мой собеседник — заведующий лабораторией структурных исследований радиационных дефектов, кандидат физико-математических наук В. Ф. Реутов.
— Вы никогда не задумывались, почему железо можно ковать? — неожиданно спрашивает меня Валерий Филиппович.— И почему при контакте нагретых деталей, изготовленных из разных металлов, их тесно соприкасающиеся поверхности как бы прилипают друг к другу? Попытки физиков объяснить пластичность и диффузию металлов оставались бесплодными до тех пор, пока кристаллическую решетку металлов считали идеальной. Как только в ней предположили наличие дефектов, все стало на свои места. Оказалось, что диффузию обусловливают свободные узлы в решетке кристалла. Они же позволяют соседним атомным плоскостям скользить друг относительно друга, делая металлы податливыми при сжатии и растяжении.
— Так что же, значит, дефекты — это не так уж плохо?
— Да, но только до тех пор, пока их не слишком много. Нейтроны же ни с какими ограничениями не считаются и производят в кристаллической решетке гораздо больше поломок, чем нужно. Количество переходит в качество: под сильным нейтронным обстрелом металлы, из которых изготовлены детали реактора, теряют пластичность — именно то свойство, которое им придают дефекты (если их не больше нормы). При этом нержавеющие стали, например, становятся столь хрупкими, что в изготовленных из них оболочках тепловыделяющих элементов — ТВЭЛов — образуются трещины.
Чтобы этого не произошло, ТВЭЛы приходится извлекать из реакторов задолго до того, как израсходуется значительная часть заключенного в них горючего.
Сейчас атомными электростанциями вырабатывается уже около половины всей электроэнергии. А овладев термоядерной реакцией, человечество обеспечит себя энергией на миллиарды лет. Но в термоядерном реакторе материалам придется работать в особо тяжелых условиях, нейтроны там будут куда более энергичными. Естественно, что и дефектов такие снаряды произведут во много раз больше, чем медленные.
Радиационное материаловедение выделилось в самостоятельную отрасль знания немногим более 50 лет назад. Как говорит один из известных специалистов в области физики твердого тела профессор М. Томпсон, «все разделы науки развиваются благодаря человеческой любознательности, но иногда это развитие связано с потребностями техники. Как раз такой областью науки является исследование радиационных нарушений в твердых телах, которое стимулируется главным образом ядерной энергетикой и программой космических исследований».
Естественно, ученые не просто изучают дефекты, производимые облучением, но и пытаются найти эффективные способы защиты от него.
Давно известно, что от последствий облучения можно избавиться. Чтобы восстановить нарушенную структуру и свойства облученного материала, его следует отжечь, то есть нагреть и выдержать нужное время при высокой температуре. Отжигом широко пользуются на практике. Считается, что после него металл уже ничем не отличается от того, каким он был до облучения.
А что, если продолжить нагревание облученного металла до плавления? По идее, после этой процедуры он должен навсегда «забыть» о своем пребывании в реакторе. Однако ученые решили все же проверить эту кажущуюся очевидность. И облученные, и не тронутые нейтронами кусочки алюминия расплавили и после того, как они, затвердев, остыли, поместили под электронный микроскоп. Перед исследователями открылась совершенно неожиданная картина: структура образцов не была одинаковой. Оказывается, металл навсегда «запоминает» облучение, и стереть эти воспоминания не может даже полное разрушение кристаллической решетки при плавлении. «Радиационное наследие», как назвали физики это явление, наглядно проявилось и в поведении других металлов и сплавов.
Как можно будет использовать недавнее открытие, его авторы пока сказать не берутся. Ясно одно — в теорию радиационных повреждений внесено серьезное уточнение, и вряд ли стоит доказывать здесь известное утверждение о практичности хорошей теории.
Автор: Ю. Колесников.