Введение

Эффект Вигнера (названный в честь его открывателя, Юджина Вигнера), также известный как эффект диссоциации или болезнь Вигнера, — это выбивание атомов из кристаллической решетки твердого тела, вызванное нейтронным излучением. Эффект Вигнера может проявляться в любом твердом теле. Особую обеспокоенность эффект вызывает в нейтронных замедлителях, таких как графит, предназначенных для уменьшения скорости быстрых нейтронов и превращения их в тепловые нейтроны, способные поддерживать ядерную цепную реакцию с участием урана-235.

Причина

Чтобы вызвать эффект Вигнера, нейтроны, сталкивающиеся с атомами в кристаллической структуре, должны обладать достаточной энергией для выбивания их из кристаллической решетки. Эта энергия (пороговая энергия смещения) составляет приблизительно 25 эВ. Энергия нейтрона может значительно варьироваться, однако в центре ядерного реактора часто встречаются энергии до 10 МэВ (10 000 000 эВ) и выше. Нейтрон, обладающий значительной энергией, создаст каскад смещений в материале посредством упругих столкновений. Например, нейтрон с энергией 1 МэВ, сталкиваясь с графитом, вызовет 900 смещений. Не все смещения приводят к образованию дефектов, поскольку некоторые выбитые атомы находят и заполняют вакансии, которые были либо небольшими изначально существующими пустотами, либо вакансиями, образовавшимися в результате ударов других атомов.

Дефект Френкеля

Атомы, не находящие вакансий, останавливаются в неидеальных позициях, то есть не вдоль симметричных линий кристаллической решетки. Эти интерстициальные атомы (или просто "интерстициалы") и связанные с ними вакансии образуют дефект Френкеля. Поскольку эти атомы находятся не в идеальном положении, они обладают энергией Вигнера, подобно тому, как мяч на вершине холма обладает гравитационной потенциальной энергией. При накоплении большого количества интерстициальных атомов существует риск внезапного высвобождения всей их энергии, что приводит к быстрому и значительному повышению температуры. Внезапные, неконтролируемые повышения температуры могут представлять серьезную опасность для определенных типов ядерных реакторов, работающих при низких температурах. Один из таких выбросов энергии стал косвенной причиной пожара на объекте Виндскейл. Накопление энергии в облученном графите достигало 2,7 кДж/г, однако обычно это значение значительно ниже.

Не связан с Чернобыльской катастрофой

Несмотря на некоторые сообщения, накопление энергии Вигнера не имело отношения к причине Чернобыльской катастрофы: этот реактор, как и все современные энергетические реакторы, работал при достаточно высокой температуре, чтобы смещенная графитовая структура успевала восстанавливаться до того, как могла бы накопиться потенциальная энергия. Энергия Вигнера могла сыграть некоторую роль после резкого скачка мощности нейтронов, когда авария перешла в фазу горения графита.

Диссипация энергии Вигнера

Накопление энергии Вигнера может быть снято нагревом материала. Этот процесс известен как отжиг. В графите это происходит при .

Интимные пары Френкеля

В 2003 году было предположено, что энергия Вигнера может накапливаться при формировании метастабильных дефектных структур в графите. Примечательно, что значительное выделение энергии, наблюдаемое при 200–250 °C, было объяснено с точки зрения метастабильной пары междоузельного атома и вакансии. Междоузельный атом оказывается захваченным на краю вакансии, и существует энергетический барьер для его рекомбинации с образованием идеального графита.

Общие ссылки

Глазстоун, Сэмюэл, и Александр Сесонске [1963] (1994). Инженерное дело ядерных реакторов. Бостон: Спрингер.