Классификация кристаллов по типам сил связи

1.ионная. Составляющая кристаллической решетки – ионы с противоположными зарядами, взаимодействуют через электростатические силы притяжения и электростатические силы отталкивания, а также квантовые силы, препятствующие сближению ионов с противоположным по знаку зарядами. Ионы соединения, как правило имеют повышенную температуру плавления, отсутствие ковкости и расслаивания (NaCl)

2.ковалентная связь. Нейтральные атомы в результате превращения электронной оболочки в общий для обоих партнеров (алмаз, AlN, AlP)

3. металлическая. Металлическая структура может быть представлена как ионная решетка, распределение в газе из квази-свободных электронов. Связь между ионами и свободными дает правильное размещение ионов виде кристаллической решетки, а подвижность электронов дает металлу тепло и электропроводность

4. межмолекулярная или Вандер – осуществляется нейтральными молекулами, сила притяжения и отталкивания так же имеет электромагнитную и квантувую природу сил.

2. Дефекты кристаллической структуры и их влияние на свойства кристаллов.

Кристаллическая решетка металлов и сплавов характеризуется правильным чередованием в пространстве атомов металла. Атомы в положении равновесия в узле кристаллической решетки имеет минимальную энергию. Дефект кристаллической решетки - отклонение кристаллической решетки от ее идеального периодического строения. Дефекты оказывают существенное влияние на физические свойства кристаллов.

Дефекты в кристаллах - нарушения периодичности кристаллической структуры в реальных монокристаллах. В идеализированных структурах кристаллов атомы занимают строго определённые положения, образуя правильные трёхмерные решётки (кристаллические решётки). В реальных кристаллах (природных и искусственно выращенных) наблюдаются обычно различные отступления от правильного расположения атомов или ионов (или их групп). Такие нарушения могут быть либо атомарного масштаба, либо макроскопических размеров, заметные даже невооружённым глазом. Помимо статических дефектов, существуют отклонения от идеальной решётки другого рода, связанные с тепловыми колебаниями частиц, составляющих решётку.

Д. в к. образуются в процессе их роста, под влиянием тепловых, механических и электрических воздействий, а также при облучении нейтронами, электронами, рентгеновскими лучами, ультрафиолетовым излучением (радиационные дефекты) и т.п.

Различают:

– точечные дефекты:

· вакансии - свободный, незанятый атомом, узел кристаллической решетки.

· межузельный атом — атом основного металла, находящийся в междоузельном положении элементарной ячейки. По типу ближайшего окружения может также варьироваться (4 атома, 6 атомов).

· примесный атом замещения — замена атома одного типа, атомом другого типа в узле кристаллической решетки.

· примесный атом внедрения — атом примеси (обычно неметалл, например, углерод) располагается в междоузлии кристаллической решетки.

–линейные дефекты:

· дислокации – дефект кристаллического строения, представляющий собой линию, вдоль которой нарушено кристаллическое строение (правильное расположение атомов) и плоскостей (дислокация — граница области незавершенного сдвига в кристалле.):

- краевая – линейная, вдоль которой обрывается внутри кристалла край “лишней” полуплоскости;

Образование краевой дислокации можно представить как результат удаления из кристалла одной кристаллической полуплоскости. Линия, отделяющая дефектную область кристалла от бездефектной, называется линией дислокации. Простейшая наглядная модель краевой дислокации — книга, у которой от одной из внутренних страниц оторвана часть. Тогда, если страницы книги уподобить атомным плоскостям, то край оторванной части страницы моделирует линию дислокации.

Схематическое изображение краевой дислокации

Схематическое изображение винтовой дислокации

-винтовая – получена при помощи частичного сдвига по плоскости Q вокруг лини ЕF)

Лини дислокации не могут обрываться внутри кристалла они должны быть либо замкнутыми, либо разветвляться на несколько дислокаций, либо выходить на поверхность кристалла. Дислокационная структура характеризуется плотностью дислокации (- суммарная длина всех линий дислокаций в единице объема) ρ = Σl /V, [см^-2, м^-2] Плотность дислокации в значительной мере определяет прочность материала. Минимальная прочность (ρ_к) определяется критической плотностью дислокации 10⁵, 10⁷ м^-2. Если плотность меньше чем критическое значение, то прочность стремиться к теоретическому значению. Повышение прочности достигается путем создания металла с бездефектной структурой, а так же путем увеличения плотности дислокации. “Усы” – нитевидные бездефектные кристаллы (d = 0,5-50 мкм, L = 2мм) их прочность близка к теоретической.

При упрочнении металлов увеличением плотности дислокации (10¹⁵ – 10¹⁶ м ^-2) - дислокация не должна превышать, иначе образуются трещины.

– поверхностные дефекты – границы зерен, фрагментов и блоков. (размеры до 1000мкм)

Различают несколько разновидностей дефектов по размерности:

– нульмерные дефекты – (точечным дефектам) относят все дефекты, которые связаны со смещением или заменой небольшой группы атомов. Возникают при нагреве, в процессе роста кристалла и в результате радиационного облучения. Могут вноситься также в результате имплантации. Наиболее изучены, включая движение, взаимодействие, аннигиляцию, испарение.

– одномерные - (линейные) дефекты представляют собой дефекты кристалла, размер которых по одному направлению много больше параметра решетки, а по двум другим — соизмерим с ним. К линейным дефектам относят дислокации и дисклинации. Дисклинация — граница области незавершенного поворота в кристалле. Характеризуется вектором поворота. Дислокация — граница области незавершенного сдвига в кристалле

– двумерные - Основной дефект-представитель этого класса — поверхность кристалла. Другие случаи — границы зёрен материала, в том числе малоугловые границы (представляют собой ассоциации дислокаций), плоскости двойникование, поверхности раздела фаз и др.

– трёхмерные - Как правило, это поры или включения примесных фаз. Представляют собой конгломерат из многих дефектов. Происхождение — нарушение режимов роста кристалла, грязные образцы.

Методы избавления от дефектов: Основной метод, который помогает избавляться от дефектов в кристалле — метод зонной плавки. Этот метод хорошо применим для кремния. Плавят малую часть кристалла, чтобы впоследствии перекристаллизовать расплав. Используют также просто отжиг. Дефекты при повышенной температуре обладают высоким коэффициентом диффузии. Вакансии могут выходить на поверхность и, поэтому говорят об испарении дефектов.

Полезные дефекты: При пластической деформации металлов (например, ковке, прокатке), генерируются многочисленные дислокации, по-разному ориентированные в пространстве, что затрудняет разрушение кристалла по сетке дислокаций. Таким образом увеличивается прочность металла, но в то же время снижается пластичность.

В искусственно выращенных рубинах, сапфирах для лазеров добавляют примеси (Cr, Fe, Ti) элементов — окрашивающие центры, которые участвуют в генерации когерентного света.

3. Радиационно-стимулированные дефекты кристаллической решетки.

Материалы активной зоны реакторов подвергаются мощному воздействию различных видов излучений: быстрые нейтроны; осколки деления; гамма – кванты. Наибольшее влияние воздействия оказывают – быстрые нейтроны и заряженные частицы, испускаемые осколками деления.

По механизму образования терморадиационные дефекты различают:

· Ионизация и возбуждение атомов – при взаимодействии с гамма–квантами, нейтронами и ионами.

Взаимодействие нейтронов с материалом происходит в результате прямых столкновений с ядрами, нейтрон передает ядру энергию, выбивая из регулярного положения в кристаллической решетки, возникают та называемые ядра отдачи, энергия которых может значительно превышать энергию связи атомов в кристаллической решетке. Энергия, которая может быть передана ядру: E_max =4*m*M*E_n/(m+M), где М – масса ядра мишени, E_n – энергия нейтрона, m – масса налетающей частицы. Ядра, отдачи получив энергию, смещаются из положения равновесия и могут сместить соседние атомы. Это продолжается до тех пор пока энергия частицы не уменьшиться до порогового значения и не станет меньше энергии связи атомов в кристаллической решетке.

Осколки деления оказывают наиболее разрушительное действие, чем нейтроны. Осколки деления, а тогда и ядра отдачи имея высокую энергию, образуют в веществе целые области с нарушенной структурой, такие области называются – пики смещения и тепловой пик.

· Выбивание атомов из узлов кристаллической решетки, т.е при большой энергии образуются каскады выбитых атомов – каскады смещения.

Пик смещения – область торможения быстрой, тяжелой частицей, окружающей вещество, разогревающейся до жидкого состояния. Кристаллическая решетка восстанавливается, но атомы занимают новые положения.

· Пики смещения

Тепловой пик – область торможения быстрой, тепловой частицей, но энергии не хватает для расплавления, а происходит местная термообработка, чаще это фазовый переход.

В случае ядерного топлива пики смещения и тепловой пик называются – пики деления, т.к. пробеги частицы не велики они будут тормозить при делении.

Классификация радиационных дефектов по внешним проявлениям:

· Радиационное распухание – изменение объема облучаемого тела за счет образования внутренних полостей

· Газовое распухание – увеличение объема тела, в следствии изменения плотности, т.к. большинство продуктов деления газы

· радиационная ползучесть – изменение формы без изменения объема под действием приложенного напряжения, которое в отсутствии облучения не вызывает ползучести.

· радиационный рост – изменение размеров без изменения объема за счет одностороннего роста кристаллических плоскостей (анизотропные вещества)

· радиационное охрупчивание – радиационное упрочнение материала с потерей пластичности.

4. Влияние облучения на механические, теплофизические и химические свойства материалов.

В целом облучение оказывает существенное действие на материалы, ухудшает его прочностные свойства (происходит радиационное охрупчивание), изменяются теплофизические свойства, активизируется коррозия (вследствие эффекта ионизации). В ядерном топливе облучение вызывает, в свою очередь, целый ряд специфических эффектов. (радиационная ползучесть, радиационный рост и т.д.).

Дефекты, возникающие под действием облучения, не сохраняются в течение времени, а могут видоизменяться, а также взаимодействовать друг с другом. Так, во время облучения устанавливается динамическое равновесие между возникновением и исчезновением дефектов. В этом процессе большое значение имеет температура. Хорошо известен процесс отжига дефектов и восстановления первоначальной структуры вещества. Этим эффектом пользуются, нагревая вещество до температуры, превышающей ту, при которой происходит облучение (t_наг>t_обл).

Кроме того, в облучаемом материале может происходить аннигиляция дефектов, которая протекает при взаимодействии вакансий и смещенных атомов. Такому явлению способствует как диффузия дефектов, так и сам процесс облучения.

Отметим, однако, что 100% восстановления свойств облучаемого материала добиться невозможно и дефекты по мере увеличения времени облучения накапливаются.

5. Основные виды ядерного топлива и требования к нему.

Ядерное топливо — вещество, которое используется в ядерных реакторах для осуществления цепной ядерной реакции деления.

Ядерное топливо делится на два вида:

· Природное урановое, содержащее делящиеся ядра ²³⁵U, а также сырьё ²³⁸U, способное при захвате нейтрона образовывать плутоний ²³⁹Pu;

· Вторичное топливо, которое не встречается в природе, в том числе ²³⁹Pu, получаемый из топлива первого вида, а также изотопы ²³³U, образующиеся при захвате нейтронов ядрами тория ²³²Th.

По химическому составу, ядерное топливо может быть:

· Металлическим, включая сплавы;

· Оксидным (например, UO₂);

· Карбидным (например, PuC_1-x)

· Нитридным

· Смешанным (PuO₂ + UO₂)

По типу распространения ядерного топлива в активной зоне:

· Гомогенные реакторы – ядерное топливо распространяется в активной зоне в виде смеси с замедлителем и теплоносителем.

· Гетерогенные – ядерное топливо распространяется локально, образуя в поперечном сечении правильную решетку.

Ядерное топливо должно обеспечивать:

- высокое тепловыделение, - высокую степень выгорания, - должно быть радиационно стойким, - в нем не должно быть примесей.

Требования к ядерному топливу:

1. Механическая прочность, в том числе и к ползучести – при нагрузке под действием облучения изменения формы.

2. Хороший теплоотвод – максимальный коэффициент теплопроводности

3. Частота материала

4. Высокое энерговыделение

5. Глубина выгорания

6. Радиационная стойкость