Los neutrones de alta energía dañan y degradan los materiales a lo largo del tiempo; el bombardeo de materiales con neutrones crea cascadas de colisiones que pueden producir defectos puntuales y dislocaciones en el material, cuya creación es el principal motor de los cambios microestructurales que se producen con el tiempo en los materiales expuestos a la radiación. A altas fluencias de neutrones, esto puede conducir a la fragilidad de los metales y otros materiales, y al hinchamiento inducido por los neutrones en algunos de ellos. Esto supone un problema para las vasijas de los reactores nucleares y limita considerablemente su vida útil (que puede prolongarse en cierta medida mediante el recocido controlado de la vasija, reduciendo el número de dislocaciones acumuladas). Los bloques moderadores de neutrones de grafito son especialmente susceptibles a este efecto, conocido como efecto Wigner, y deben ser recocidos periódicamente. El incendio de Windscale fue causado por un percance durante dicha operación de recocido.

Los daños por radiación en los materiales se producen como resultado de la interacción de una partícula energética incidente (un neutrón, o de otro tipo) con un átomo de la red del material. La colisión provoca una transferencia masiva de energía cinética al átomo de la red, que se desplaza de su lugar en la red, convirtiéndose en lo que se conoce como átomo primario de choque (PKA). Dado que el PKA está rodeado por otros átomos de la red, su desplazamiento y su paso por la red da lugar a muchas colisiones posteriores y a la creación de otros átomos de choque, produciendo lo que se conoce como cascada de colisiones o cascada de desplazamientos. Los átomos de choque pierden energía con cada colisión y terminan como intersticiales, creando una serie de defectos de Frenkel en la red. También se crea calor como resultado de las colisiones (por la pérdida de energía electrónica), al igual que los átomos posiblemente transmutados. La magnitud del daño es tal que un solo neutrón de 1 MeV que crea un PKA en una red de hierro produce aproximadamente 1.100 pares de Frenkel. El evento completo de la cascada ocurre en una escala de tiempo de 1 × 10-13 segundos, y por lo tanto, sólo puede ser «observado» en las simulaciones por ordenador del evento.

Los átomos golpeados terminan en posiciones intersticiales no equilibradas de la red, muchos de los cuales se aniquilan a sí mismos difundiendo de vuelta a los sitios vacantes vecinos de la red y restauran la red ordenada. Los que no lo hacen o no pueden dejar vacantes, lo que provoca un aumento local de la concentración de vacantes muy por encima de la concentración de equilibrio. Estas vacantes tienden a migrar como resultado de la difusión térmica hacia los sumideros de vacantes (es decir, los límites de los granos, las dislocaciones), pero existen durante un tiempo considerable, durante el cual partículas adicionales de alta energía bombardean la red, creando cascadas de colisiones y vacantes adicionales, que migran hacia los sumideros. El principal efecto de la irradiación en una red es el flujo significativo y persistente de defectos hacia los sumideros en lo que se conoce como viento de defectos. Las vacantes también pueden aniquilarse combinándose entre sí para formar bucles de dislocación y, más tarde, vacíos en la red.

La cascada de colisiones crea muchas más vacantes e intersticiales en el material que el equilibrio para una temperatura determinada, y la difusividad en el material aumenta drásticamente como resultado. Esto da lugar a un efecto denominado difusión potenciada por la radiación, que conduce a la evolución microestructural del material a lo largo del tiempo. Los mecanismos que conducen a la evolución de la microestructura son muchos, pueden variar con la temperatura, el flujo y la fluencia, y son objeto de un amplio estudio.

• La segregación inducida por la radiación es el resultado del mencionado flujo de vacantes hacia los sumideros, lo que implica un flujo de átomos de la red fuera de los sumideros; pero no necesariamente en la misma proporción que la composición de la aleación en el caso de un material aleado. Por lo tanto, estos flujos pueden conducir a un agotamiento de los elementos de aleación en las proximidades de los sumideros. Para el flujo de intersticiales introducido por la cascada, el efecto es inverso: los intersticiales se difunden hacia los sumideros dando lugar a un enriquecimiento de la aleación cerca del sumidero.
• Los bucles de dislocación se forman si las vacantes forman racimos en un plano de la red. Si estas concentraciones de vacantes se expanden en tres dimensiones, se forma un vacío. Por definición, los vacíos están en el vacío, pero pueden llenarse de gas en caso de radiación de partículas alfa (helio) o si el gas se produce como resultado de reacciones de transmutación. El vacío se denomina entonces burbuja y conduce a la inestabilidad dimensional (hinchazón inducida por neutrones) de las piezas sometidas a radiación. El hinchamiento representa un importante problema de diseño a largo plazo, especialmente en los componentes del reactor fabricados en acero inoxidable. Las aleaciones con isotropía cristalográfica, como las Zircaloys, están sujetas a la creación de bucles de dislocación, pero no presentan formación de vacíos. En cambio, los bucles se forman en planos de red particulares, y pueden dar lugar a un crecimiento inducido por la irradiación, un fenómeno distinto del hinchamiento, pero que también puede producir cambios dimensionales significativos en una aleación.
• La irradiación de materiales también puede inducir transformaciones de fase en el material: en el caso de una solución sólida, el enriquecimiento o agotamiento del soluto en los sumideros la segregación inducida por la radiación puede conducir a la precipitación de nuevas fases en el material.

Los efectos mecánicos de estos mecanismos incluyen el endurecimiento por irradiación, la fragilidad, la fluencia y el agrietamiento asistido por el ambiente. Los grupos de defectos, los bucles de dislocación, los vacíos, las burbujas y los precipitados producidos como resultado de la radiación en un material contribuyen al fortalecimiento y a la fragilidad (pérdida de ductilidad) del material. La fragilidad es especialmente preocupante en el caso del material que compone la vasija de presión del reactor, donde, como resultado, la energía necesaria para fracturar la vasija disminuye significativamente. Es posible restaurar la ductilidad mediante el recocido de los defectos, y gran parte de la prolongación de la vida útil de los reactores nucleares depende de la capacidad de hacerlo de forma segura. La fluencia también se acelera en gran medida en los materiales irradiados, aunque no como resultado de la mayor difusividad, sino como resultado de la interacción entre la tensión de la red y la microestructura en desarrollo. El agrietamiento asistido por el medio ambiente o, más concretamente, el agrietamiento por corrosión bajo tensión asistido por irradiación (IASCC) se observa especialmente en aleaciones sometidas a radiación de neutrones y en contacto con agua, causado por la absorción de hidrógeno en las puntas de las grietas resultante de la radiólisis del agua, lo que conduce a una reducción de la energía necesaria para propagar la grieta.