Los materiales en servicio nuclear están sujetos a varios tipos de radiación. Algunos de estos pueden causar un daño significativo a la estructura cristalina de los materiales. La radiación nuclear concentra grandes cantidades de energía en áreas muy localizadas. El daño es causado por la interacción de esta energía con los núcleos y / o los electrones en órbita.
Como se escribió, las partículas cargadas con altas energías pueden ionizar directamente los átomos o pueden provocar la excitación de los electrones circundantes. La ionización y la excitación disipan gran parte de la energía de las partículas cargadas más pesadas y causan muy poco daño . Esto se debe a que los electrones son relativamente libres de moverse y pronto se reemplazan. El efecto neto de la radiación beta y gamma sobre el metal es generar una pequeña cantidad de calor. Las partículas más pesadas, como los protones, las partículas alfa, los neutrones rápidos y los fragmentos de fisión, generalmente transferirán suficiente energía a través de colisiones elásticas o inelásticas para eliminar los núcleos de sus posiciones reticulares (cristalinas). Esta adición de vacantes y átomos intersticiales provoca cambios en las propiedades de los metales.
En general, los efectos de mayor interés pueden describirse mediante las siguientes agrupaciones:
- Vacantes o Knock-ons . Los defectos de vacante son el resultado de la falta de un átomo en una posición reticular. La estabilidad de la estructura cristalina circundantegarantiza que los átomos vecinos no colapsarán simplemente alrededor de la vacante. Esto puede deberse a la interacción directa de un neutrón de alta energía o un fragmento de fisión. Si un núcleo objetivo o golpeado gana aproximadamente 25 eV de energía cinética (25 eV a 30 eV para la mayoría de los metales) en una colisión con una partícula de radiación (generalmente un neutrón rápido), el núcleo se desplazará de su posición de equilibrio en la red cristalina. . Durante una irradiación prolongada (para valores grandes de la fluencia de neutrones), muchos de los átomos desplazados volverán a los sitios reticulares normales (estables) (es decir, el recocido parcial se produce espontáneamente).
- Intersticiales . Los defectos intersticiales son el resultado de una impureza ubicada en un sitio intersticial o uno de los átomos de la red está en una posición intersticial en lugar de estar en su posición de red. Un intersticial se forma cuando un átomo, que es expulsado de su posición, se detiene en algún punto remoto.
- Ionización . La ionización es causada por la eliminación de electrones de sus capas electrónicas y tiene el efecto de cambiar los enlaces químicos de las moléculas. En el metal, la ionización no causa cambios drásticos en las propiedades del material. Esto se debe a los electrones libres, que son típicos solo para enlaces metálicos.
- Picos térmicos y de desplazamiento . Los picos térmicos y de desplazamiento pueden causar una distorsión que se congela como tensión en el área microscópica. Estos picos pueden provocar un cambio en las propiedades del material. Este término identifica dominios localizados de alta temperatura causados por la deposición de energía de neutrones y fragmentos de fisión. Un pico de desplazamiento ocurre cuando muchos átomos en un área pequeña son desplazados por un knock-on (o cascada de knock-ons). Un neutrón de 1 MeV puede afectar aproximadamente a 5000 átomos, formando uno de estos picos. La presencia de muchos picos de desplazamiento cambia las propiedades del metal que se irradia, como el aumento de la dureza y la disminución de la ductilidad.
- Átomos de impureza . La captura de neutrones y reacciones nucleares inducidas por diversas radiaciones tiene el efecto de transmutar un átomo en un elemento extraño al material.
- Fluencia inducida por radiación . En los reactores nucleares, muchos componentes metálicos se someten simultáneamente a campos de radiación, temperaturas elevadas y estrés. El metal sometido a tensión a temperatura elevada presenta el fenómeno de fluencia, es decir. el aumento gradual de la tensión con el tiempo. El deslizamiento de los componentes metálicos a las temperaturas de funcionamiento del reactor se vuelve más rápido cuando se exponen a un campo de radiación.
Los neutrones con suficiente energía pueden alterar la disposición atómica o la estructura cristalina de los materiales. La influencia del daño estructural es más significativa para los metales debido a su relativa inmunidad al daño por radiación ionizante. Los reactores de agua a presión funcionan con una tasa más alta de impactos de neutrones y, por lo tanto, sus recipientes tienden a experimentar un mayor grado de fragilización que los recipientes de los reactores de agua en ebullición. Muchos reactores de agua presurizada diseñan sus núcleos para reducir la cantidad de neutrones que golpean la pared del recipiente. Esto ralentiza la fragilidad de la embarcación. Las reglamentaciones de la NRC abordan la fragilización en 10 CFR Parte 50, Apéndice G, «Requisitos de resistencia a la fractura» y Apéndice H, «Requisitos del programa de vigilancia de materiales de buques de reactores». Dado que la vasija de presión del reactorse considera insustituible , la fragilización por irradiación de neutrones de los aceros de los recipientes a presión es un tema clave en la evaluación a largo plazo de la integridad estructural de los programas de extensión y de vida.
El daño por radiación se produce cuando neutrones de suficiente energía desplazan átomos (especialmente en aceros a temperaturas de funcionamiento de 260 – 300 ° C) que dan como resultado cascadas de desplazamiento que producen gran cantidad de defectos, tanto vacíos como intersticiales. Aunque la superficie interior del RPV está expuesta a neutrones de energías variables, los neutrones de mayor energía, aquellos por encima de aproximadamente 0,5 MeV , producen la mayor parte del daño. Para minimizar tal degradación del material, el tipo y la estructura del acero deben seleccionarse apropiadamente . Hoy en día se sabe que la susceptibilidad de los aceros de los recipientes a presión de los reactores se ve fuertemente afectada (negativamente) por la presencia de cobre, níquel y fósforo.
Como se escribió, la distinción entre fragilidad y ductilidad no es evidente, especialmente porque tanto la ductilidad como el comportamiento frágil dependen no solo del material en cuestión, sino también de la temperatura (transición dúctil-frágil) del material. El efecto de la temperatura sobre la naturaleza de la fractura es de considerable importancia. Muchos aceros presentan fractura dúctil a temperaturas elevadas y fractura frágil a bajas temperaturas . La temperatura por encima de la cual un material es dúctil y por debajo de la cual es frágil se conoce como temperatura de transición dúctil-frágil.(DBTT), temperatura de ductilidad nula (NDT) o temperatura de transición de ductilidad nula. Esta temperatura no es precisa, pero varía según el tratamiento mecánico y térmico previo y la naturaleza y cantidad de los elementos de impureza. Puede determinarse mediante algún tipo de prueba de caída de peso (por ejemplo, las pruebas Charpy o Izod ).
Para minimizar la fluencia de neutrones:
- Los reflectores de neutrones radiales se instalan alrededor del núcleo del reactor. Los reflectores de neutrones reducen la fuga de neutrones y, por lo tanto, reducen la fluencia de neutrones en la vasija de presión de un reactor.
- Los diseñadores centrales diseñan los patrones de carga de baja fuga , en los que los conjuntos de combustible fresco no están situados en las posiciones periféricas del núcleo del reactor .
Si el metal se calienta a temperaturas elevadas después de la irradiación (una forma de recocido), se encuentra que la resistencia y la ductilidad vuelven a los mismos valores que antes de la irradiación. Esto significa que el daño por radiación se puede recocer de un metal.
Ver también: Temperatura de transición dúctil-frágil
Ver también: fragilización por irradiación
Ver también: Recocido térmico
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