Реактор екзаменує метали
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
На екрані електронного мікроскопа я бачу зображення опроміненого нейтронами металу. Електрони просвічують тонку пластинку наскрізь, створюючи чіткий малюнок внутрішньої структури. На яскравому зеленому тлі чітко видно темні точки, зламані лінії, замкнуті петлі. Розмір точок всього 50-100 ангстремів. Це скупчення «бездомних» атомів, так звані кластери. А групи пустот-вакансій, що злилися, утворюють в металі добре помітні мікрополості.
Міць атомних електростанцій – це перетворена в електрику енергія нейтронів. Вони народжуються в реакторах в результаті поділу атомів урану або плутонію. Але нейтрони не тільки нагрівають воду, перетворюючи її в пару, що обертає турбіни. Вони пронизують всі деталі реактора. Фізики, які вперше спостерігали нейтронне випромінювання, були вражені його проникаючою здатністю: помітно послабити нейтрони не могли навіть товсті свинцеві екрани.
Тим не менш, метали не зовсім прозорі для нейтронів. Хоча більшість частинок дійсно проникає крізь них безперешкодно, окремі нейтрони стикаються з атомами речовини. І це не проходить безслідно. Атоми матеріалу зсуваються з «насиджених» місць, а після зустрічі з особливо енергійними нейтронами взагалі вилітають з вузлів кристалічної решітки.
Зміщені атоми, як правило, незабаром повертаються на свої колишні місця, але деякі з них, перейнявши від нейтронів енергію, самі перетворюються в знаряддя руйнування. На їхньому шляху порушується стрункість, яка робить кристали класичним зразком загальної симетрії. Зяють порожнечею покинуті атомами вузли кристалічної решітки-вакансії, а десь поруч блукають їх колишні господарі.
Мій співрозмовник – завідувач лабораторії структурних досліджень радіаційних дефектів, кандидат фізико-математичних наук В. Ф. Реутов.
— Ви ніколи не замислювалися, чому залізо можна кувати? – несподівано запитує мене Валерій Пилипович. – І чому при контакті нагрітих деталей, виготовлених з різних металів, їх тісно дотичні поверхні як би прилипають одна до одної? Спроби фізиків пояснити пластичність і дифузію металів залишалися безплідними до тих пір, поки кристалічну решітку металів вважали ідеальною. Як тільки в ній припустили наявність дефектів, все стало на свої місця. Виявилося, що дифузію обумовлюють вільні вузли в решітці кристала. Вони ж дозволяють сусіднім атомним площинах ковзати один щодо одного, роблячи метали податливими при стисненні і розтягуванні.
— Так що ж, значить, дефекти – це не так вже й погано?
— Так, але тільки до тих пір, поки їх не дуже багато. Нейтрони ж ні з якими обмеженнями не рахуються і виробляють в кристалічній решітці набагато більше поломок, ніж потрібно. Кількість переходить в якість: під сильним нейтронним обстрілом метали, з яких виготовлені деталі реактора, втрачають пластичність — саме ту властивість, яку їм надають дефекти (якщо їх не більше норми). При цьому нержавіючі сталі, наприклад, стають настільки крихкими, що у виготовлених з них оболонках тепловиділяючих елементів — ТВЕлів — утворюються тріщини.
Щоб цього не сталося, ТВЕли доводиться витягувати з реакторів задовго до того, як витратиться значна частина укладеного в них пального.
Зараз атомними електростанціями виробляється вже близько половини всієї електроенергії. А оволодівши термоядерною реакцією, людство забезпечить себе енергією на мільярди років. Але в термоядерному реакторі доведеться працювати в особливо важких умовах, нейтрони там будуть куди більш енергійними. Природно, що і дефектів такі снаряди вироблять у багато разів більше, ніж повільні.
Радіаційне матеріалознавство виділилося в самостійну галузь знання трохи більше 50 років тому. Як говорить один з відомих фахівців в області фізики твердого тіла професор М. Томпсон, «всі розділи науки розвиваються завдяки людській допитливості, але іноді цей розвиток пов’язаний з потребами техніки. Якраз такою областю науки є дослідження радіаційних порушень в твердих тілах, яке стимулюється головним чином ядерною енергетикою і програмою космічних досліджень».
Природно, вчені не просто вивчають дефекти, вироблені опроміненням, але і намагаються знайти ефективні способи захисту від нього.
Давно відомо, що від наслідків опромінення можна позбутися. Щоб відновити порушену структуру і властивості опроміненого матеріалу, його слід відпалити, тобто нагріти і витримати потрібний час при високій температурі. Відпалом широко користуються на практиці. Вважається, що після нього метал вже нічим не відрізняється від того, яким він був до опромінення.
А що, якщо продовжити нагрівання опроміненого металу до плавлення? По ідеї, після цієї процедури він повинен назавжди “забути” про своє перебування в реакторі. Однак вчені вирішили все ж перевірити цю гадану очевидність. І опромінені, і не зворушені нейтронами шматочки алюмінію розплавили і після того, як вони, затвердівши, охололи, помістили під електронний мікроскоп. Перед дослідниками відкрилася абсолютно несподівана картина: структура зразків не була однаковою. Виявляється, метал назавжди «запам’ятовує» опромінення, і стерти ці спогади не може навіть повне руйнування кристалічної решітки при плавленні. «Радіаційна спадщина», як назвали фізики це явище, наочно проявилася і в поведінці інших металів і сплавів.
Як можна буде використовувати недавнє відкриття, його автори поки сказати не беруться. Ясно одне – в теорію радіаційних пошкоджень внесено серйозне уточнення, і навряд чи варто доводити тут відоме твердження про практичність хорошої теорії.
Автор: Ю. Колесніков.