Ученые Томского политехнического университета предложили новый метод определения радиационной стойкости материалов с помощью пучков ускоренных атомов. Имитационное облучение такими пучками повторяет воздействие нейтронного излучения ядерного реактора на материал за минимальное время, что позволяет с большей достоверностью предсказать, насколько материал устойчив к радиации. Разработанный инструмент не имеет аналогов в мире.

Результаты исследования научная группа представила на VII Международном конгрессе «Потоки энергии и радиационные эффекты» (EFRE-2020), который проходит в Томске.

Условия, в которых находятся конструкционные элементы ядерного реактора, очень жесткие. За жизненный цикл каждый атом кристаллической решетки материалов этих элементов подвергается до 100–200 воздействиям (смещениям). При этом они меняют свое положение, вследствие чего происходит радиационное повреждение конструкций.

Одна из важных проблем радиационного материаловедения — повышение устойчивости материалов: они не должны существенно менять свои свойства за все время использования в реакторе. При низкой радиационной стойкости конструкционных элементов реактора, прежде всего тепловыделяющих элементов, может произойти их деформация, потеря управляемости развития ядерной реакции и даже взрыв реактора. Ученые проводят исследования материалов, помещая их в камеру облучения нейтронами около ядерного реактора и отслеживая появление изменений. В этом случае на исследования уходит несколько лет, и это не очень удобно для оперативной разработки новых материалов и технологий.

«Сейчас вместо нейтронного облучения используют имитационное облучение пучками заряженных частиц. Оно воссоздает те же условия, что и в ядерном реакторе, то же количество радиационных повреждений, однако радиационную нагрузку, которую получает материал в ядерном реакторе, получается набрать за несколько часов вместо нескольких лет», — говорит профессор отделения материаловедения ТПУ Александр Пушкарев.

На практике для имитационного облучения сейчас применяют два инструмента: электронные пучки и ионные пучки. Однако механизмы формирования радиационных дефектов при облучении пучками заряженных частиц и нейтронами значительно отличаются. Это снижает достоверность результатов исследований радиационной стойкости материалов.

Ученые ТПУ предложили новый инструмент — пучки ускоренных атомов. Их формирование происходит с помощью генератора мощных ионных пучков, разработанного профессором Геннадием Ремневым. Сначала формируется пучок ускоренных ионов, затем идет процесс их перезарядки и образования ускоренных атомов. Ускоренные атомы с энергией в сотни килоэлектронвольт используются для облучения материалов.

«Для радиационного материаловедения это уникальный инструмент. Он позволяет быстро набрать дозу, аналогичную дозе облучения в ядерном реакторе, и затратить на формирование дефектов значительно меньше энергии. Кроме того, механизмы формирования радиационных дефектов в металлах при облучении ускоренными атомами и нейтронами очень близки. Это позволяет повысить достоверность исследований», — говорит Александр Пушкарев.

Исследования ведут профессор отделения материаловедения ТПУ Александр Пушкарев, аспирант отделения материаловедения Артем Прима и доцент Инженерной школы энергетики ТПУ Юлия Егорова, а также ученые из Даляньского политехнического университета (Китай).

В перспективе ученые планируют провести исследования по генерации нейтронных пучков не в ядерном реакторе, а с помощью разработанного генератора пучков ускоренных атомов, что позволит повысить интенсивность нейтронного пучка и снизить габариты генератора. В дальнейшем эти нейтронные пучки можно будет применять в медицине, радиационном материаловедении и других направлениях.