III' PRODUCCIN DE DEFECTOS CASCADAS DE COLISIONES

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III. PRODUCCIÓN DE DEFECTOSCASCADAS DE COLISIONES
T?Td
- Td,min energía umbral mínima de
desplazamiento - Td,av energía umbral promedio -
Tda energía umbral recomendada para cálculos de
dosis en dpa - ?0fn eficiencia de producción de
defectos con neutrones rápidos,Egt0,1Mev - ??FD
variación de la resistiviadad por unidad de
concentración de defectos Frenkel
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En reactores nucleares, se producen neutrones con
Egt100 keV, por tanto con capacidad de producir
desplazamientos, es decir, átomos PKA con TgtTd.
El átomo PKA colisiona con los átomos vecinos y
vuelve gradualmente al reposo.
La energía transferida por el PKA a sus vecinos
puede ser lo suficiente alta para desplazarlos, y
estos a su vez desplazar a otros átomos
produciendo sucesivos procesos de desplazamientos
? cascada de desplazamientos. Éstas se originan
directamente por el PKA (cascada primaria), por
átomos desplazados directamente por el PKA
(cascada secundaría), por átomos desplazados por
los anteriores (cascada terciaria), .etc. La
cascada de desplazamientos de ramifica abarcando
una región alrededor de la trayectoria del
PKA. El neutrón tiene capacidad para producir
múltiples PKAs
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REPRESENTACIÓN CONCEPTUAL DE UNA CASCADA DE
COLISIONES
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- Los desplazamientos atómicos se propagan a
grandes distancias del origen de la cascada vía
colisiones de re-emplazamiento o por propagación
como crowdion. - Los átomos auto-intersticiales,
SIAs (self-interstitial atom) se distribuyen en
una zona difusa alrededor del borde de las
cascadas y de su núcleo. - Las vacantes se
concentran preferentemente en una zona al final
del recorrido del PKA ? núcleo de la cascada o
depleted zone - El tamaño y forma de la cascada
depende de la energía del PKA y del Z del
material. Z pequeños ? rangos de los PKA largos
? cascadas difusas Z grandes ? rangos de los
PKA cortos ? cascadas compactas, localizadas y
bien definidas
Trayectorias de un PKA de T5 keV en Fe bcc.
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EVOLUCIÓN TEMPORAL DEL DAÑO DE DESPLAZAMIENTO
TIEMPO (ps)
RESULTADO
SUCESO
- Colisión. Transferencia de la energía de
retroceso T

• Primary knock-on atom (PKA)

1ª FASE
10-6
- Vacantes - Átomos desplazados - Subcascadas
- Generación de una cascada - Detención del PKA
10-6 0,2
2ª FASE
- Zona fundida de baja densidad (gotita) - Frente
de choque (shock front)
0,2 0,3
3ª FASE
- Formación del spike
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EVOLUCIÓN TEMPORAL DEL DAÑO DE DESPLAZAMIENTO
TIEMPO (ps)
SUCESO
RESULTADO
- Relajación del spike, eyección intersticiales -
Transición gota caliente ?líquido subenfriado
- SIAs estables - Desorden atómico
4ª FASE
0,3 - 3
- Núcleo de la cascada (depleted zone) - Zona
desordenada - Zona amorfa - Colapso de las
vacantes
- Solidificación y enfriamiento del núcleo
3 - 10
5ª FASE
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EVOLUCIÓN TEMPORAL DEL DAÑO DE DESPLAZAMIENTO
TIEMPO (ps)
RESULTADO
SUCESO
- Defectos supervivientes - Flujo estable de
defectos escapando de la cascada y migrando hacia
sumideros - Crecimiento-eliminación de
aglomerados de vacantes y SIAs (lazos de
dislocaciones) - Segregación de impurezas
disueltas - Formación de defectos complejos -
Decoración de defectos
- Recombinación intra-cascada activada
térmicamente - Escape de SIAs y vacantes de las
cascadas - Recombinación fuera de las cascadas
6ª FASE
10 ?
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EVOLUCIÓN TEMPORAL DEL DAÑO DE DESPLAZAMIENTO
Las anteriores descripciones cualitativas se
basan en observaciones de microscopía electrónica
de alta resolución (HRTEM) y experimentos de
simulación aplicando dinámica molecular
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Proyección 1 0 0de la configuración atómica
instantánea del núcleo de una cascada de 1 ps
después de producirse el PKA. La cascada se ha
producido en Au con Au de 10 keV.
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t0,25 ps 3ª Fase t1,41 ps 4ª Fase t3,47 ps 5ª
Fase
Temperatura
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DISTRIBUCIÓN DEL DAÑO
Depende de - Tipo de partículas del haz -
Energía de las partículas. La concentración de
defectos Frenkel estables producidos depende de
la energía de retroceso del PKA IRRADIACIÓN CON
NEUTRONES (Características) El flujo de
neutrones es normalmente uniforme, y el recorrido
libre medio entre colisiones puede ser de 1 cm
en el caso de neutrones muy energéticos. 1) En
caso de componentes de tamaño relativamente
pequeño Cascadas de desplazamiento uniformemente
distribuidas en el material 2) Materiales
estructurales (dimensiones considerables) El
flujo de neutrones incidiendo sobre el componente
puede ser no uniforme ? gradiente en la
concentración de defectos estables después de la
irradiación
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IRRADIACIÓN CON IONES (Características) 1)
Iones pesados - el rango de penetración es 1
?m en el caso de E1 MeV - defectos localizados
en capa superficial - distribuidos no
uniformente. Se concentran al final del
rango de penetración 2) Iones ligeros (p, d, ?,
..) - el rango puede ser de 1 mm en el caso
de E1 MeV - defectos en el interior del
material
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MEDIDA DEL DAÑO DOSIS DE IRRADIACIÓN
- Función de desplazamientos Nd(T) Número de
desplazamientos calculados en una cascada de
colisiones de energía T
Nd(T)
- Función de daño verdadero ?(T) Número medio
de pares Frenkel producidos por un PKA de energía
T
damage efficiency
La dosis de radiación que recibe un material se
mide por el número de desplazamientos por átomo,
dpa - La dosis de radiación expresada en
unidades dpa nos da el número de defectos
Frenkel estables producido por átomo de material
- Defecto Frenkel estables ? que no se
recombina por relajación atérmica de la red. Es
decir los defectos existentes justo antes de que
se inicie la fase del spike, o fase térmica, de
las cascadas.
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FUNCIÓN DE DESPLAZAMIENTO Nd Y DE DAÑO EN FUNCIÓN
DE DE LA ENERGIA DE RETROCESO
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EFECTO DE LA TEMPERATURA DEL MATERIAL
Durante la fase térmica el número de defectos se
reduce como consecuencia de la relajación del
spike y la recombinación intra-cascada y
migración de los defectos. Como estos procesos
son activados térmicamente, el daño resultante es
menor que el establecido por la dosis calculada
en unidades dpa. Y además, depende de la
temperatura del material. El dato de interés es
el número de defectos que sobreviven a estos
procesos de recombinación. En definitiva, la
velocidad de producción de defectos ? No se
puede calcular con precisión. Por eso, en estudio
del daño inducido por irradiación se usa como
parámetros la dosis en dpa y la energía de
retroceso del PKA, T, o su energía de daño
Tdam. La dosis de radiación recibida se emplea
como referencia para establecer el daño efectivo
producido en los materiales por las cascadas de
desplazamiento. En el caso de irradiación con n,
e y p, la dosis se suele dar en partículas/m2
porque es muy fácil de medir y se evita
cálculos. - Fluence (flujo integrado) ? Flujo de
partículas ? tiempo irradiación
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DAÑO DE DESPLAZAMIENTO Y PRODUCIÓN DE He
CALCULADOS EN LA PRIMERA PARED DE UN REACTOR DE
FUSIÓN Y EN EL EBR-II
EBR-II Experimental Breeder Reactor, Idaho,
Falls.
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EVOLUCIÓN DE LA MICROESTRUCTURA DURANTE LA
IRRADIACIÓN
La mayoría de los materiales estructurales
contienen elementos aleantes. En un reactor, los
materiales estructurales pueden estar a
temperaturas superiores a la temperatura de
migración de los defectos puntuales y de las
impurezas. Ejemplo En Fe puro Los SIAs deben
moverse a T inferiores a los 20 K. La vacantes
son móviles a T 200 K Cuando la temperatura
del material durante la irradiación es superior a
la temperatura de migración de los defectos
puntuales, los siguientes procesos tienen
lugar - 1) Los defectos supervivientes al
proceso de relajación en las cascadas migran
precipitando en defectos secundarios más
complejos las vacantes? complejos
vacante-impureza, lazos de dislocación,
voids los SIAs ? lazos de dislocación,
complejos SIA-impureza lazos de dislocaciones
inestables ? redes de dislocaciones
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- 2) Una alta concentración de defectos implica
un mecanismo más efectivo de difusión por
vacantes - Procesos de difusión de impurezas más
rápidos ? fases precipitadas que no existen en el
material no irradiado - La migración de las
vacantes hacia los sumideros (voids,
dislocaciones, fronteras de grano) puede
establecer la difusión de las impurezas en
solución en el sentido contrario, dejando la zona
contigua a los sumideros libres de impurezas ?
ablandamiento del material - En caso de
formación de pares vacante-impureza con una
energía de enlace alta ? decoración de los
sumideros con impurezas ? endurecimiento del
material 3) Los procesos anteriores puede
producir la disolución de precipitados existentes
en el material estructural