วิทยาศาสตร์วัสดุเชิงรังสีเป็นสาขาย่อยของวิทยาศาสตร์วัสดุที่ศึกษาปฏิสัมพันธ์ระหว่างรังสีกับสสารซึ่งเป็นหัวข้อกว้างๆ ที่ครอบคลุมการฉายรังสีและสสาร หลายรูปแบบ

ผลกระทบที่รุนแรงที่สุดอย่างหนึ่งของการฉายรังสีต่อวัสดุเกิดขึ้นในแกนกลางของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ซึ่งอะตอมที่ประกอบเป็นส่วนประกอบโครงสร้างจะถูกเคลื่อนย้ายหลายครั้งตลอดอายุการใช้งานทางวิศวกรรม ผลที่ตามมาของรังสีต่อส่วนประกอบแกนกลาง ได้แก่ การเปลี่ยนแปลงรูปร่างและปริมาตรหลายสิบเปอร์เซ็นต์ความแข็ง เพิ่มขึ้นห้าเท่าหรือมากกว่านั้น ความยืดหยุ่นลดลงอย่างมากและการเปราะแตก ง่ายขึ้น และความไวต่อการแตกร้าวที่เกิดจากสภาพแวดล้อม เพื่อให้โครงสร้างเหล่านี้สามารถใช้งานได้ตามวัตถุประสงค์ จำเป็นต้องมีความเข้าใจอย่างถ่องแท้ถึงผลกระทบของรังสีต่อวัสดุ เพื่อที่จะคำนึงถึงผลกระทบของการฉายรังสีในการออกแบบ บรรเทาผลกระทบโดยการเปลี่ยนแปลงสภาวะการทำงาน หรือใช้เป็นแนวทางในการสร้างวัสดุใหม่ที่ทนต่อรังสีได้ดีกว่าและสามารถใช้งานได้ตามวัตถุประสงค์ได้ดียิ่งขึ้น

รังสีประเภทที่สามารถเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของวัสดุได้ ได้แก่รังสีนิวตรอนลำแสงไอออนอิเล็กตรอน(อนุภาคเบตา ) และรังสีแกมมารังสีเหล่านี้ทั้งหมดมีความสามารถในการเคลื่อนย้ายอะตอมออกจากตำแหน่งในโครงผลึก ซึ่งเป็นกระบวนการพื้นฐานที่ขับเคลื่อนการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของโลหะ การรวมไอออนไว้ในกลุ่มอนุภาคที่ใช้ในการฉายรังสีทำให้เกิดความเชื่อมโยงกับสาขาและศาสตร์อื่นๆ เช่น การใช้เครื่องเร่งอนุภาคเพื่อเปลี่ยนสภาพของกากกัมมันตรังสีหรือในการสร้างวัสดุใหม่โดยการฝังไอออนการผสมลำแสงไอออนการฝังไอออนโดยใช้พลาสมาและการ ตกตะกอนโดยใช้ลำแสงไอออน

ผลกระทบของการฉายรังสีต่อวัสดุนั้นมีรากฐานมาจากเหตุการณ์เริ่มต้นที่อนุภาคพลังงานสูงพุ่งชนเป้าหมาย แม้ว่าเหตุการณ์นี้จะประกอบด้วยหลายขั้นตอนหรือกระบวนการ แต่ผลลัพธ์หลักคือการเคลื่อนที่ของอะตอมออกจากตำแหน่งในโครงผลึกการฉายรังสีทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของอะตอมออกจากตำแหน่งเดิม ทำให้เกิดตำแหน่งว่าง ( ช่องว่าง ) และอะตอมที่เคลื่อนที่ไปนั้นจะไปหยุดอยู่ที่ตำแหน่งระหว่างโครงผลึก กลายเป็น อะตอม แทรกอะตอมคู่ช่องว่าง-อะตอมแทรกนี้มีความสำคัญต่อผลกระทบของรังสีในของแข็งผลึก และรู้จักกันในชื่อคู่เฟรนเคลการมีอยู่ของคู่เฟรนเคลและผลกระทบอื่นๆ จากความเสียหายจากการฉายรังสีเป็นตัวกำหนดผลทางกายภาพ และเมื่อมีการใช้แรงกดผลทางกลของการฉายรังสีโดยการเกิดปรากฏการณ์อะตอมแทรก เช่นการบวมการเจริญเติบโตการเปลี่ยนเฟสการแยกตัวฯลฯ จะเกิดขึ้น นอกจากการเคลื่อนที่ของอะตอมแล้ว อนุภาคประจุพลังงานสูงที่เคลื่อนที่ในโครงตาข่ายยังให้พลังงานแก่อิเล็กตรอนในระบบผ่านพลังงานการหยุด อิเล็กตรอน การถ่ายโอนพลังงานนี้ยังสามารถก่อให้เกิดความเสียหายในวัสดุที่ไม่ใช่โลหะสำหรับอนุภาคพลังงานสูง เช่นร่องรอยไอออนและร่องรอยการแตกตัวในแร่ธาตุ^{[ 1 ] [ 2 ]}

เหตุการณ์ความเสียหายจากรังสี หมายถึง การถ่ายโอนพลังงานจากวัตถุที่พุ่งชนไปยังของแข็ง และการกระจายตัวของอะตอมเป้าหมายที่เกิดขึ้นหลังจากเหตุการณ์สิ้นสุดลง เหตุการณ์นี้ประกอบด้วยกระบวนการที่แตกต่างกันหลายอย่าง:

1. ปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคพลังงานสูงที่พุ่งชนกับอะตอมในโครงผลึก
2. การถ่ายโอนพลังงานจลน์ไปยังอะตอมในโครงผลึก ทำให้เกิดอะตอมกระแทกหลักขึ้น
3. การเคลื่อนที่ของอะตอมออกจากตำแหน่งในโครงผลึก
4. การเคลื่อนที่ของอะตอมที่ถูกแทนที่ผ่านโครงผลึกและการเกิดอะตอมเพิ่มเติมจากการกระแทกที่เกิดขึ้นพร้อมกัน
5. การเกิดชุดการเคลื่อนที่ (กลุ่มของจุดบกพร่องที่เกิดจากอะตอมหลักที่กระแทก)
6. การสิ้นสุดของอะตอมที่ถูกกระแทกหลักในฐานะอะตอมแทรก

ผลที่เกิดขึ้นจากเหตุการณ์ความเสียหายจากรังสี หากพลังงานที่ส่งไปยังอะตอมในโครงผลึกสูงกว่าพลังงานการเคลื่อนที่ ที่กำหนดไว้ จะทำให้เกิดจุดบกพร่อง (ช่องว่างและอะตอมแทรก) และกลุ่มของจุดบกพร่องเหล่านี้ในโครงผลึก

สาระสำคัญของการวัดปริมาณความเสียหายจากรังสีในของแข็งคือจำนวนการเคลื่อนที่ต่อหน่วยปริมาตรต่อหน่วยเวลา : ${\displaystyle R}$

${\displaystyle R=N\int _{E_{min}}^{E_{max}}\int _{T_{min}}^{T_{max}}\phi (E_{i})\,\sigma (E_{i},T)\,\upsilon (T)\,dT\,dE_{i}.}$

โดยที่คือความหนาแน่นของจำนวนอะตอมและคือพลังงานสูงสุดและต่ำสุดของอนุภาคที่เข้ามาคือฟลักซ์ของอนุภาคที่ขึ้นอยู่กับพลังงานและคือพลังงานสูงสุดและต่ำสุดที่ถ่ายโอนในการชนกันของอนุภาคที่มีพลังงานและอะตอมในโครงตาข่ายคือพื้นที่หน้าตัดสำหรับการชนกันของอนุภาคที่มีพลังงานซึ่งส่งผลให้เกิดการถ่ายโอนพลังงานไปยังอะตอมที่ถูกชนคือจำนวนการกระจัดต่ออะตอมที่ถูกกระแทกหลัก ${\displaystyle N}$${\displaystyle E_{max}}$${\displaystyle E_{min}}$${\displaystyle \phi (E_{i})}$${\displaystyle T_{max}}$${\displaystyle T_{min}}$${\displaystyle E_{i}}$${\displaystyle \sigma (E_{i},T)}$${\displaystyle E_{i}}$${\displaystyle T}$${\displaystyle \upsilon (T)}$

ตัวแปรสำคัญสองตัวในสมการนี้คือและเทอมแรกอธิบายถึงการถ่ายโอนพลังงานจากอนุภาคที่เข้ามาไปยังอะตอมแรกที่มันพบในเป้าหมาย ซึ่งก็คืออะตอมที่ถูกกระแทกหลัก เทอมที่สองคือจำนวนการกระจัดทั้งหมดที่อะตอมที่ถูกกระแทกหลักนั้นกระทำในของแข็ง เมื่อรวมกันแล้ว ทั้งสองเทอมอธิบายถึงจำนวนการกระจัดทั้งหมดที่เกิดจากอนุภาคที่เข้ามาซึ่งมีพลังงานและสมการข้างต้นคำนึงถึงการกระจายพลังงานของอนุภาคที่เข้ามา ผลลัพธ์ที่ได้คือจำนวนการกระจัดทั้งหมดในเป้าหมายจากกระแสของอนุภาคที่มีการกระจายพลังงานที่ทราบแล้ว ${\displaystyle \sigma (E_{i},T)}$${\displaystyle \upsilon (T)}$${\displaystyle \sigma (E_{i},T)}$${\displaystyle \upsilon (T)}$${\displaystyle E_{i}}$

ในวิทยาศาสตร์วัสดุรังสี ความเสียหายจากการเคลื่อนที่ในโลหะผสม ( = การเคลื่อนที่ต่ออะตอมในของแข็ง ) เป็นตัวแทนที่ดีกว่าของผลกระทบของการฉายรังสีต่อคุณสมบัติของวัสดุมากกว่าฟลักซ์ (ฟลักซ์นิวตรอน) ${\displaystyle \left[dpa\right]}$${\displaystyle \left[MeV\right]}$

ดูเพิ่มเติมที่ปรากฏการณ์วิกเนอร์ (Wigner effect )

เพื่อให้ได้วัสดุที่เหมาะสมกับความต้องการที่เพิ่มขึ้นของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ในการทำงานที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้นหรือมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น วัสดุเหล่านั้นต้องได้รับการออกแบบโดยคำนึงถึงความทนทานต่อรังสี โดยเฉพาะอย่างยิ่งเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์รุ่นที่ 4ทำงานที่อุณหภูมิและความดันสูงกว่าเครื่องปฏิกรณ์น้ำแรงดันสูง สมัยใหม่ ซึ่งเป็นเครื่องปฏิกรณ์ส่วนใหญ่ในประเทศตะวันตก สิ่งนี้ทำให้มีความเสี่ยงต่อความเสียหายทางกลตามปกติมากขึ้นในแง่ของความต้านทานต่อการคืบตัวรวมถึงเหตุการณ์ความเสียหายจากรังสี เช่นการบวมตัวที่เกิดจากนิวตรอนและการแยกตัวของเฟส ที่เกิดจากรังสี การคำนึงถึงความเสียหายจากรังสีจะช่วยให้วัสดุของเครื่องปฏิกรณ์สามารถทนต่ออายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น ซึ่งจะช่วยให้สามารถปลดระวางเครื่องปฏิกรณ์ได้หลังจากช่วงเวลาที่ยาวนานขึ้น ปรับปรุงผลตอบแทนจากการลงทุนในเครื่องปฏิกรณ์โดยไม่กระทบต่อความปลอดภัย สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการพัฒนาความเป็นไปได้ทางการค้าของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ขั้นสูงและเชิงทฤษฎี และเป้าหมายนี้สามารถบรรลุได้ด้วยการออกแบบทางวิศวกรรมให้ทนทานต่อเหตุการณ์การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้

โลหะ ลูกบาศก์แบบศูนย์กลางหน้าเช่น เหล็กกล้าออสเทนิติกและโลหะผสมนิกเกล สามารถได้รับประโยชน์อย่างมากจากการปรับแต่งขอบเกรน การปรับแต่ง ขอบเกรนพยายามสร้างขอบเกรนพิเศษจำนวนมากขึ้น ซึ่งมีลักษณะเฉพาะคือการวางแนวที่เหมาะสมระหว่างเกรน การเพิ่มจำนวนขอบเกรนที่มีพลังงานต่ำโดยไม่เพิ่มขนาดเกรน จะทำให้กลศาสตร์การแตกหักของโลหะลูกบาศก์แบบศูนย์กลางหน้าเหล่านี้เปลี่ยนแปลงไป เพื่อปรับปรุงคุณสมบัติทางกล โดยมีค่าการกระจัดต่ออะตอมที่คล้ายคลึงกันเมื่อเทียบกับโลหะผสมที่ไม่ได้ปรับแต่งขอบเกรน วิธีการบำบัดนี้โดยเฉพาะอย่างยิ่งจะให้ความต้านทานต่อการแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากความเค้นและการออกซิเดชัน ที่ดีกว่า ^{[ 3 ]}

โดยการใช้วิธีการเลือกวัสดุ ขั้นสูง วัสดุสามารถถูกตัดสินตามเกณฑ์ต่างๆ เช่น พื้นที่หน้าตัดการดูดซับนิวตรอน การเลือกวัสดุที่มีการดูดซับนิวตรอนน้อยที่สุดจะช่วยลดจำนวนการเคลื่อนที่ต่ออะตอมที่เกิดขึ้นตลอดอายุการใช้งานของวัสดุเครื่องปฏิกรณ์ได้อย่างมาก ซึ่งจะช่วยชะลอการเปราะตัวจากรังสีโดยการป้องกันการเคลื่อนที่ของอะตอมตั้งแต่แรกเริ่ม และการเลือกวัสดุที่ไม่ทำปฏิกิริยากับรังสีนิวเคลียร์บ่อยครั้งก็จะทำได้ง่ายขึ้น ซึ่งสิ่งนี้สามารถส่งผลกระทบอย่างมากต่อความเสียหายโดยรวม โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเปรียบเทียบวัสดุของเครื่องปฏิกรณ์ขั้นสูงสมัยใหม่ที่ทำจากเซอร์โคเนียมกับแกนเครื่องปฏิกรณ์สแตนเลส ซึ่งอาจแตกต่างกันในพื้นที่หน้าตัดการดูดซับถึงหนึ่งอันดับจากวัสดุที่เหมาะสมกว่า^{[ 4 ]}

ค่าตัวอย่างสำหรับภาคตัดขวางของนิวตรอนความร้อนแสดงอยู่ในตารางด้านล่าง^{[ 5 ]}

สำหรับโลหะผสมนิกเกล-โครเมียมและเหล็ก-โครเมียม สามารถออกแบบลำดับระยะสั้นในระดับนาโน (<5 นาโนเมตร) ที่ดูดซับอะตอมแทรกและช่องว่างที่เกิดจากเหตุการณ์การกระแทกของอะตอมขั้นต้น ซึ่งช่วยให้วัสดุลดการบวมที่มักเกิดขึ้นเมื่อมีการเคลื่อนที่สูงต่ออะตอม และรักษาการเปลี่ยนแปลงปริมาตรโดยรวมให้อยู่ต่ำกว่าสิบเปอร์เซ็นต์ สิ่งนี้เกิดขึ้นโดยการสร้างเฟสที่ไม่เสถียรซึ่งอยู่ในสมดุลไดนามิกคงที่กับวัสดุโดยรอบ เฟสที่ไม่เสถียรนี้มีลักษณะเฉพาะคือมีเอนทาลปีของการผสมที่เป็นศูนย์อย่างมีประสิทธิภาพเมื่อเทียบกับแลตติสหลัก ซึ่งช่วยให้การเปลี่ยนแปลงเฟสสามารถดูดซับและกระจายข้อบกพร่องแบบจุดที่มักสะสมอยู่ในแลตติสที่แข็งกว่า สิ่งนี้ช่วยยืดอายุการใช้งานของโลหะผสมโดยทำให้การสร้างช่องว่างและอะตอมแทรกประสบความสำเร็จน้อยลง เนื่องจากการกระตุ้นนิวตรอนอย่างต่อเนื่องในรูปแบบของการเคลื่อนที่แบบต่อเนื่องจะเปลี่ยนเฟส SRO ในขณะที่ SRO จะก่อตัวขึ้นใหม่ในสารละลายของแข็งส่วนใหญ่^{[ 6 ]}

• พื้นฐานวิทยาศาสตร์วัสดุรังสี: โลหะและโลหะผสม ฉบับที่ 2 โดย แกรี่ เอส. วาส สำนักพิมพ์ SpringerNature นิวยอร์ก 2017
• RS Averback และ T. Diaz de la Rubia (1998). "ความเสียหายจากการเคลื่อนที่ในโลหะและสารกึ่งตัวนำที่ได้รับรังสี" ใน H. Ehrenfest และ F. Spaepen. ฟิสิกส์ของของแข็ง 51. สำนักพิมพ์ Academic Press. หน้า 281–402.
• R. Smith, บรรณาธิการ (1997). การชนกันของอะตอมและไอออนในของแข็งและบนพื้นผิว: ทฤษฎี การจำลอง และการประยุกต์ใช้ สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ISBN 0-521-44022-X.

• สื่อที่เกี่ยวข้องกับวิทยาศาสตร์วัสดุรังสีในวิกิมีเดียคอมมอนส์