Strålingsskader - Radiation damage

Strålingsskader er effekten av ioniserende stråling på fysiske gjenstander. Radiobiologi er studien av virkningen av ioniserende stråling på levende ting , inkludert helseeffekter av stråling hos mennesker . Høye doser ioniserende stråling kan forårsake skade på levende vev, slik som stråleforbrenning og skadelige mutasjoner, slik som at celler blir kreftfremkallende , og kan føre til helseproblemer som strålingforgiftning .

Årsaker

Denne strålingen kan ha flere former:

Kosmiske stråler og påfølgende energiske partikler forårsaket av deres kollisjon med atmosfæren og andre materialer.
Radioaktive datterprodukter ( radioisotoper ) forårsaket av kollisjon av kosmiske stråler med atmosfæren og andre materialer, inkludert levende vev.
Energiske partikler stråler fra en partikkelakselerator .
Energetiske partikler eller elektromagnetisk stråling ( røntgenstråler ) frigjort fra kollisjoner av slike partikler med et mål, som i en røntgenapparat eller forøvrig ved bruk av en partikkelakselerator.
Partikler eller forskjellige typer stråler som frigjøres ved radioaktivt forfall av grunnstoffer, som kan være naturlig forekommende, skapt av akseleratorkollisjoner, eller dannet i en atomreaktor . De kan produseres for terapeutisk eller industriell bruk eller frigjøres ved et uhell ved en atomulykke , eller frigjøres sententielt av en skitten bombe , eller slippes ut i atmosfæren, bakken eller havet i tilfelle eksplosjonen av et atomvåpen for krigføring eller atomprøving .

Effekter på materialer og enheter

Stråling kan påvirke materialer og enheter på skadelige måter:

Ved å få materialene til å bli radioaktive (hovedsakelig ved nøytronaktivering , eller i nærvær av høyenergigamma-stråling ved fotodisintegrasjon ).
Ved kjernetransmutasjon av elementene i materialet, inkludert for eksempel produksjon av hydrogen og helium, som igjen kan endre materialets mekaniske egenskaper og forårsake hevelse og sprøhet.
Ved radiolysis (bryte kjemiske bindinger) i materialet, noe som kan svekke det, få det til å svelle, polymerisere, fremme korrosjon, forårsake nedbrytninger, fremme sprekker eller på annen måte endre dets ønskelige mekaniske, optiske eller elektroniske egenskaper.
Ved dannelse av reaktive forbindelser, som påvirker andre materialer (f.eks. Ozonsprengning av ozon dannet ved ionisering av luft).
Ved ionisering forårsaker elektrisk sammenbrudd, spesielt i halvledere som brukes i elektronisk utstyr, med påfølgende strømmer som introduserer driftsfeil eller til og med permanent skade enhetene. Enheter beregnet på miljøer med høy stråling som kjernefysisk industri og ekstra atmosfæriske (rom) applikasjoner kan gjøres stråling vanskelig å motstå slike effekter gjennom design, materialvalg og fabrikasjonsmetoder.

Mange av strålingseffektene på materialer produseres av kollisjonskaskader og dekkes av strålingskjemi .

Effekter på faste stoffer

Stråling kan ha skadelige effekter på faste materialer, da det kan forringe egenskapene deres slik at de ikke lenger er mekanisk sunne. Dette er spesielt bekymringsfullt, da det i stor grad kan påvirke deres evne til å utføre i kjernefysiske reaktorer, og er vektleggingen av strålingsmateriellvitenskap , som søker å redusere denne faren.

Som et resultat av deres bruk og eksponering for stråling, er effekten på metaller og betong spesielle studieområder. For metaller kan eksponering for stråling resultere i strålingsherding som styrker materialet mens den deretter sprøytes (senker seighet , slik at sprø brudd kan oppstå). Dette skjer som et resultat av å slå atomene ut av gitterstedene sine både gjennom den innledende interaksjonen så vel som en resulterende kaskade av skader, noe som fører til dannelse av mangler, forvridninger (ligner på herding av arbeid og nedbørherding ). Korngrenseteknikk gjennom termomekanisk prosessering har vist seg å dempe disse effektene ved å endre bruddmodus fra intergranular (forekommer langs korngrenser) til transgranular. Dette øker styrken på materialet, og demper den sprø effekten av stråling. Stråling kan også føre til segregering og diffusjon av atomer i materialene, noe som fører til fasesegregering og hulrom, samt forbedrer effekten av spenningskorrosjonssprenging gjennom endringer i både vannkjemi og legeringsmikrostruktur.

Ettersom betong blir brukt mye i byggingen av kjernekraftverk, der det gir struktur så vel som inneholder stråling, er effekten av stråling på den også av stor interesse. I løpet av levetiden vil betong endre egenskaper naturlig på grunn av sin normale aldringsprosess, men kjernefysisk eksponering vil føre til tap av mekaniske egenskaper på grunn av hevelse i betongaggregatene, og dermed skade bulkmaterialet. For eksempel er det biologiske skjoldet til reaktoren ofte sammensatt av Portland sement , hvor tette aggregater tilsettes for å redusere strålingsstrømmen gjennom skjoldet. Disse aggregatene kan hovne opp og gjøre skjoldet mekanisk lydløst. Tallrike studier har vist reduksjoner i både trykk- og strekkfasthet samt elastisk modul av betong ved en dosering på rundt 10 ¹⁹ nøytroner per kvadratcentimeter. Disse trendene ble også vist å eksistere i armert betong , en kompositt av både betong og stål.

Kunnskapen fra dagens analyser av materialer i fisjoneringsreaktorer med hensyn til effekten av temperatur, bestrålingsdosering, materialesammensetninger og overflatebehandlinger vil være nyttig i utformingen av fremtidige fisjoneringsreaktorer så vel som utviklingen av fusjonsreaktorer .

Tørrstoffer som utsettes for stråling bombes kontinuerlig med høyenergipartikler. Samspillet mellom partikler og atomer i reaktormaterialets gitter forårsaker forskyvning i atomene. I løpet av vedvarende bombardementer kommer ikke noen av atomene til å hvile på gittersteder, noe som resulterer i skaper av mangler . Disse feilene forårsaker endringer i materialets mikrostruktur , og til slutt resulterer i en rekke strålingseffekter.

Strålingsskadehendelse

Interaksjon av en energisk hendelsespartikkel med et gitteratom
Overføring av kinetisk energi til gitteratomet og føder et primært fortrengningsatom
Forskyvning av atomet fra gitterstedet
Bevegelse av atomet gjennom gitteret, og skaper flere fortrengte atomer
Produksjon av forskyvningskaskade (samling av punktdefekter opprettet av primærforskyvningsatom)
Avslutning av fortrengningsatom som interstitial

Strålingstverrsnitt

Sannsynligheten for en interaksjon mellom to atomer er avhengig av det termiske nøytrontverrsnittet (målt i låven ). Gitt et makroskopisk tverrsnitt av Σ = σρ, og en reaksjonshastighet på R = ΦΣ = Φσρ, blir sannsynligheten for interaksjon Pdx = N _j σ (E _i ) dx = Σdx. Nedenfor er tverrsnittene av vanlige atomer eller legeringer.

Tverrsnitt av termiske nøytroner (låve)

Magnesium	0,059
Lede	0,17
Zirkonium	0,18
Zircaloy-4	0,22
Aluminium	0,23
Jern	2,56
Austenittisk rustfritt stål	3.1
Nikkel	4.5
Titan	6.1
Hafnium	104
Bor	750
Kadmium	2520
Gadolinium	48.890

Mikrostrukturell evolusjon under bestråling

Mikrostrukturell evolusjon drives i materialet av opphopning av defekter over en periode med vedvarende stråling. Denne akkumuleringen er begrenset av mangelfull rekombinasjon, ved gruppering av mangler og av utslettelse av mangler ved vasker. Mangler må termisk migrere til vasker, og ved å gjøre det ofte rekombineres eller komme til vasker for å rekombinere. I de fleste tilfeller er D _rad = D _v C _v + D _i C _i >> D _therm , det vil si at bevegelsen av mellomliggende mellomrom og ledige stillinger gjennom gitterstrukturen til et materiale som et resultat av stråling ofte oppveier den termiske diffusjonen av det samme materialet.

En konsekvens av en strøm av ledige stillinger mot vasker er en tilsvarende strøm av atomer vekk fra vasken. Hvis ledige stillinger ikke tilintetgjøres eller rekombineres før de samles på vasker, vil de danne hulrom. Ved tilstrekkelig høy temperatur, avhengig av materialet, kan disse hulrommene fylles med gasser fra nedbrytningen av legeringen, noe som fører til hevelse i materialet. Dette er et enormt problem for trykkfølsomme eller begrensede materialer som er under konstant strålingsbombardement, som trykkvannsreaktorer . I mange tilfeller er strålingsstrømmen ikke-støkiometrisk, noe som forårsaker segregering i legeringen. Denne ikke-støkiometriske strømmen kan resultere i betydelig endring i lokal sammensetning nær korngrenser, der bevegelse av atomer og forvridninger hindres. Når denne strømmen fortsetter, kan anrikning av løsemiddel ved vasker føre til utfelling av nye faser.

Termomekaniske effekter av bestråling

Herding

Strålingsherding er styrking av det aktuelle materialet ved innføring av mangelklynger, urenhetsdefektklyngekomplekser, forvridningsløkker, forvridningslinjer, hulrom, bobler og utfelling. For trykkbeholdere er tapet av duktilitet som oppstår som et resultat av økningen i hardhet en spesiell bekymring.

Kryssing

Strålingsforsterkning resulterer i en reduksjon av energien til brudd på grunn av en reduksjon i stivningsherding (ettersom herding allerede oppstår under bestråling). Dette motiveres av veldig like årsaker til de som forårsaker stråleherding; utvikling av defektklynger, forvridninger, hulrom og utfelling. Variasjoner i disse parametrene gjør det vanskelig å forutsi den nøyaktige mengden sprøhet, men de generelle verdiene for målingen viser forutsigbar konsistens.

Kryp

Termisk kryp i bestrålte materialer er ubetydelig sammenlignet med bestrålingskryp, som kan overstige 10 ⁻⁶ sek ⁻¹ . Mekanismen er ikke forbedrede diffusiviteter, som det ville være intuitivt fra den forhøyede temperaturen, men snarere interaksjon mellom spenningen og den utviklende mikrostrukturen. Stress induserer nukleering av sløyfer, og forårsaker fortrinnsvis absorpsjon av mellomstander ved dislokasjoner, noe som resulterer i hevelse. Hevelse, i kombinasjon med sprøhet og herding, kan ha katastrofale effekter på ethvert kjernefysisk materiale under betydelig press.

Vekst

Vekst i bestrålte materialer er forårsaket av Diffusion Anisotropy Difference (DAD). Dette fenomenet forekommer ofte i zirkonium, grafitt og magnesium på grunn av naturlige egenskaper.

Konduktivitet

Termisk og elektrisk ledningsevne er avhengig av transport av energi gjennom elektronene og gitteret til et materiale. Mangler i gitteret og substitusjon av atomer via transmutasjon forstyrrer disse banene, noe som fører til en reduksjon i begge typer ledning ved strålingsskader. Omfanget av reduksjon avhenger av den dominerende typen ledningsevne (elektronisk eller Wiedemann – Franz-lov , fononisk) i materialet og detaljene i strålingsskaden, og er derfor fortsatt vanskelig å forutsi.

Effekter på gasser

Eksponering for stråling forårsaker kjemiske endringer i gasser. De minst utsatte for skade er edelgasser , der det største bekymringen er kjernefysisk transmutasjon med kjemiske reaksjoner av kjernefysiske reaksjonsprodukter.

Høyintensiv ioniserende stråling i luft kan produsere en synlig ionisert luftglød av telltale blålig-purpurfarge. Gløden kan observeres f.eks. Under kritiske ulykker , rundt soppskyer kort tid etter en atomeksplosjon , eller inne i en skadet atomreaktor som under Tsjernobyl-katastrofen .

Det kan produseres betydelige mengder ozon . Selv små mengder ozon kan forårsake ozonsprengning i mange polymerer over tid, i tillegg til skaden fra selve strålingen.

Gassfylte strålingsdetektorer

I noen gassformede ioniseringsdetektorer spiller strålingsskader på gasser en viktig rolle i enhetens aldring, spesielt i enheter som i lange perioder er utsatt for høy intensitetsstråling, f.eks. Detektorer for Large Hadron Collider eller Geiger – Müller-røret

Ioniseringsprosesser krever energi over 10 eV, mens splitting av kovalente bindinger i molekyler og generering av frie radikaler krever bare 3-4 eV. De elektriske utladningene initiert av ioniseringshendelsene av partiklene resulterer i plasma fylt av store mengder frie radikaler. De høyreaktive frie radikaler kan rekombinere tilbake til originale molekyler, eller initiere en kjede av fri-radikal polymerisasjonsreaksjoner med andre molekyler, og gir forbindelser med økende molekylvekt . Disse forbindelsene med høy molekylvekt faller deretter ut fra gassfase, og danner ledende eller ikke-ledende avleiringer på elektrodene og isolasjonsflatene til detektoren og forvrenger dens respons. Gasser som inneholder hydrokarbonslukkere, f.eks. Argon - metan , er typisk følsomme for aldring ved polymerisering; tilsetning av oksygen har en tendens til å senke aldringsgraden. Spormengder av silikonoljer , som er tilstede fra utgassing av silikonelastomerer og spesielt fra spor av silikon- smøremidler , har en tendens til å dekomponere og danne avsetninger av silisiumkrystaller på overflatene. Gassformige blandinger av argon (eller xenon ) med karbondioksid og eventuelt også med 2-3% oksygen er meget tolerante mot høye strålingsstrømmer. Oksygenet tilsettes da edelgass med karbondioksid har for høy gjennomsiktighet for høynergifotoner ; ozon dannet av oksygen er en sterk absorberer av ultrafiolette fotoner. Karbontetrafluorid kan brukes som en komponent i gassen for høysatsdetektorer; fluorradikaler produsert under operasjonen begrenser imidlertid materialvalget til kamrene og elektrodene (f.eks. gullelektroder er påkrevd, da fluorradikaler angriper metaller og danner fluorider ). Tilsetning av karbontetrafluorid kan imidlertid eliminere silisiumavleiringer. Tilstedeværelse av hydrokarboner med karbontetrafluorid fører til polymerisering. En blanding av argon, karbontetrafluorid og karbondioksid viser lav aldring ved høy hadronfluss .

Effekter på væsker

I likhet med gasser mangler væsker fast intern struktur; effekten av stråling er derfor hovedsakelig begrenset til radiolys , og endrer den kjemiske sammensetningen av væskene. Som med gasser, er en av de viktigste mekanismene dannelsen av frie radikaler .

Alle væsker er utsatt for strålingsskader, med få eksotiske unntak; f.eks. smeltet natrium, der det ikke er noen kjemiske bindinger som skal forstyrres, og flytende hydrogenfluorid , som produserer gassformig hydrogen og fluor, som spontant reagerer på hydrogenfluorid.

Effekter på vann

Vann utsatt for ioniserende stråling danner frie radikaler av hydrogen og hydroksyl , som kan rekombineres til dannelse av gassformig hydrogen , oksygen , hydrogenperoksid , hydroksylradikaler og peroksidradikaler. I levende organismer, som hovedsakelig består av vann, er størstedelen av skaden forårsaket av reaktive oksygenarter , frie radikaler produsert av vann. De frie radikalene angriper de biomolekylene som danner strukturer i cellene , og forårsaker oksidativt stress (en kumulativ skade som kan være betydelig nok til å forårsake celledød, eller kan forårsake DNA-skade som kan føre til kreft ).

I kjølesystemer av kjernefysiske reaktorer vil dannelsen av fritt oksygen fremme korrosjon og motvirkes ved tilsetning av hydrogen til kjølevannet. Hydrogen forbrukes ikke ettersom hvert molekyl som reagerer med oksygen frigjøres ett molekyl ved radiolys av vann; overskuddet av hydrogen tjener bare til å forskyve reaksjons likevekter ved å tilveiebringe de første hydrogenradikalene. Det reduserende miljøet i trykkvannsreaktorer er mindre utsatt for oppbygging av oksidative arter. Kjemien til kokevannets reaktorkjølemiddel er mer kompleks, da miljøet kan være oksiderende. Det meste av den radiolytiske aktiviteten skjer i kjernen av reaktoren der nøytronstrømmen er høyest; mesteparten av energien blir avsatt i vann fra raske nøytroner og gammastråling, bidraget fra termiske nøytroner er mye lavere. I luftfritt vann når konsentrasjonen av hydrogen, oksygen og hydrogenperoksid jevn tilstand ved ca. 200 Gy stråling. I nærvær av oppløst oksygen fortsetter reaksjonene til oksygenforbruket og likevekten er forskjøvet. Nøytronaktivering av vann fører til opphopning av lave konsentrasjoner av nitrogenarter; på grunn av den oksyderende virkning av de reaktive oksygenarter, disse har en tendens til å være til stede i form av nitrat anioner. I reduserende omgivelser kan det dannes ammoniakk . Ammoniakkioner kan imidlertid også deretter oksyderes til nitrater. Andre arter som er tilstede i kjølevannet er oksidert korrosjonsprodukter (f.eks kromater ) og fisjonsprodukter (f.eks pertechnetat og perjodat anioner, uranyl og neptunyl kationer). Absorpsjon av nøytroner i hydrogenkjerner fører til opphopning av deuterium og tritium i vannet. Oppførsel av superkritisk vann , viktig for de superkritiske vannreaktorene , skiller seg fra den radiokjemiske oppførselen til flytende vann og damp og er for tiden under etterforskning.

Omfanget av effekten av stråling på vann er avhengig av typen og energien til strålingen, nemlig dens lineære energioverføring . Et gassfritt vann utsatt for gammalstråler med lite LET gir nesten ingen radiolyseprodukter og opprettholder en likevekt med deres lave konsentrasjon. High-LET alfa-stråling produserer større mengder radiolyseprodukter. I nærvær av oppløst oksygen skjer radiolys alltid. Oppløst hydrogen undertrykker fullstendig radiolysis ved lav-LET-stråling mens radiolysis fremdeles oppstår med

Tilstedeværelsen av reaktive oksygenarter har sterkt forstyrrende virkning på oppløste organiske kjemikalier. Dette utnyttes i grunnvannssanering ved behandling av elektronstråler .

Mottiltak

To hovedtilnærminger for å redusere strålingsskader er å redusere mengden energi som er avsatt i det sensitive materialet (f.eks. Ved skjerming, avstand fra kilden eller romlig orientering), eller modifisering av materialet for å være mindre følsomt for strålingsskader (f.eks. Ved å tilsette antioksidanter , stabilisatorer, eller velge et mer passende materiale). I tillegg til den elektroniske herdingen som er nevnt ovenfor, kan det oppnås en viss grad av beskyttelse ved å skjerme, vanligvis med interposisjon av materialer med høy tetthet (spesielt bly, der det er kritisk plass, eller betong der det er plass) mellom strålingskilden og områdene å bli beskyttet. For biologiske effekter av stoffer som radioaktivt jod kan inntak av ikke-radioaktive isotoper redusere det biologiske opptaket av den radioaktive formen vesentlig, og chelateterapi kan brukes for å akselerere fjerningen av radioaktive materialer dannet fra tungmetaller fra kroppen ved naturlige prosesser. .

For solid strålingsskade

Solide mottiltak mot strålingsskader består av tre tilnærminger. For det første å mette matrisen med store oppløste stoffer. Dette virker for å fange hevelsen som oppstår som et resultat av krype- og forvridningsbevegelsen. De virker også for å forhindre diffusjon, noe som begrenser materialets evne til å gjennomgå strålingsindusert segregering. For det andre, dispergering av et oksid inne i matrisen til materialet. Spredt oksid hjelper til med å forhindre kryp, og for å dempe hevelse og redusere også strålingsindusert segregering, ved å forhindre forvridningsbevegelse og dannelse og bevegelse av mellomliggende områder Til slutt, ved å konstruere korngrenser for å være så små som mulig, kan forskyvningsbevegelse hindres, noe som forhindrer sprøhet og herding som resulterer i materialfeil.

Effekter på mennesker

Ioniserende stråling er generelt skadelig og potensielt dødelig for levende ting, men kan ha helsemessige fordeler ved strålebehandling for behandling av kreft og tyrotoksikose . Dens vanligste innvirkning er induksjon av kreft med en latent periode på år eller tiår etter eksponering. Høye doser kan forårsake visuelt dramatiske stråleforbrenninger og / eller rask dødsfall gjennom akutt strålesyndrom . Kontrollerte doser brukes til medisinsk bildebehandling og strålebehandling .

De fleste ugunstige helseeffekter av strålingseksponering kan grupperes i to generelle kategorier:

Deterministiske effekter (skadelige vevsreaksjoner) som i stor grad skyldes drap / funksjonsfeil i celler etter høye doser; og
Stokastiske effekter, dvs. kreft og arvelige effekter som involverer enten kreftutvikling hos eksponerte individer på grunn av mutasjon av somatiske celler eller arvelig sykdom hos deres avkom på grunn av mutasjon av reproduktive (kimceller).

Languages

In other projects