Les neutrons à haute énergie endommagent et dégradent les matériaux au fil du temps ; le bombardement des matériaux par les neutrons crée des cascades de collisions qui peuvent produire des défauts ponctuels et des dislocations dans le matériau, dont la création est le principal moteur des changements microstructuraux qui se produisent au fil du temps dans les matériaux exposés au rayonnement. À des fluences neutroniques élevées, cela peut conduire à la fragilisation des métaux et d’autres matériaux, et au gonflement induit par les neutrons dans certains d’entre eux. Cela pose un problème pour les cuves des réacteurs nucléaires et limite considérablement leur durée de vie (qui peut être quelque peu prolongée par un recuit contrôlé de la cuve, réduisant le nombre de dislocations accumulées). Les blocs modérateurs de neutrons en graphite sont particulièrement sensibles à cet effet, connu sous le nom d’effet Wigner, et doivent être recuits périodiquement. L’incendie de Windscale a été causé par un incident au cours d’une telle opération de recuit.

Les dommages causés aux matériaux par le rayonnement résultent de l’interaction d’une particule incidente énergétique (un neutron, ou autre) avec un atome du réseau dans le matériau. La collision provoque un transfert massif d’énergie cinétique à l’atome du réseau, qui est déplacé de son site de réseau, devenant ce que l’on appelle l’atome d’impact primaire (PKA). Comme le PKA est entouré d’autres atomes du réseau, son déplacement et son passage à travers le réseau entraînent de nombreuses collisions ultérieures et la création d’autres atomes knock-on, produisant ce que l’on appelle la cascade de collisions ou la cascade de déplacements. Les atomes knock-on perdent de l’énergie à chaque collision et se terminent en interstitiels, créant ainsi une série de défauts de Frenkel dans le réseau. De la chaleur est également créée à la suite des collisions (par la perte d’énergie électronique), tout comme les atomes éventuellement transmutés. L’ampleur des dommages est telle qu’un seul neutron de 1 MeV créant un PKA dans un réseau de fer produit environ 1 100 paires de Frenkel. L’ensemble de l’événement en cascade se produit sur une échelle de temps de 1 × 10-13 secondes, et ne peut donc être « observé » que dans des simulations informatiques de l’événement.

Les atomes knock-on se terminent dans des positions interstitielles du réseau hors équilibre, dont beaucoup s’annihilent en diffusant à nouveau dans les sites vacants voisins du réseau et restaurent le réseau ordonné. Ceux qui ne le font pas ou ne peuvent pas le faire laissent des lacunes, ce qui entraîne une augmentation locale de la concentration de lacunes bien supérieure à celle de la concentration d’équilibre. Ces lacunes ont tendance à migrer par diffusion thermique vers des puits de lacunes (c’est-à-dire des joints de grains, des dislocations), mais elles existent pendant un temps considérable, au cours duquel d’autres particules à haute énergie bombardent le réseau, créant des cascades de collisions et d’autres lacunes, qui migrent vers les puits. Le principal effet de l’irradiation d’un réseau est le flux important et persistant de défauts vers les puits dans ce que l’on appelle le vent des défauts. Les lacunes peuvent également s’annihiler en se combinant les unes aux autres pour former des boucles de dislocation et, plus tard, des vides dans le réseau.

La cascade de collisions crée beaucoup plus de lacunes et d’interstitiels dans le matériau que l’équilibre pour une température donnée, et la diffusivité dans le matériau est considérablement augmentée en conséquence. Cela conduit à un effet appelé diffusion renforcée par le rayonnement, qui entraîne une évolution microstructurale du matériau au fil du temps. Les mécanismes conduisant à l’évolution de la microstructure sont nombreux, peuvent varier en fonction de la température, du flux et de la fluence, et font l’objet d’études approfondies.

• La ségrégation induite par le rayonnement résulte du flux susmentionné de lacunes vers les puits, impliquant un flux d’atomes de réseau s’éloignant des puits ; mais pas nécessairement dans la même proportion que la composition de l’alliage dans le cas d’un matériau allié. Ces flux peuvent donc conduire à un appauvrissement des éléments d’alliage à proximité des puits. Pour le flux d’interstitiels introduit par la cascade, l’effet est inversé : les interstitiels diffusent vers les puits, ce qui entraîne un enrichissement en alliage à proximité du puits.
• Des boucles de dislocation se forment si les vacants forment des amas sur un plan de réseau. Si ces concentrations de vacants s’étendent en trois dimensions, un vide se forme. Par définition, les vides sont sous vide, mais peuvent se remplir de gaz dans le cas d’un rayonnement de particules alpha (hélium) ou si le gaz est produit à la suite de réactions de transmutation. Le vide est alors appelé bulle, et conduit à une instabilité dimensionnelle (gonflement induit par les neutrons) des pièces soumises au rayonnement. Le gonflement constitue un problème majeur de conception à long terme, en particulier pour les composants de réacteur fabriqués en acier inoxydable. Les alliages présentant une isotropie cristallographique, comme les zircalos, sont sujets à la création de boucles de dislocation, mais ne présentent pas de formation de vide. Au contraire, les boucles se forment sur des plans particuliers du réseau, et peuvent conduire à une croissance induite par irradiation, un phénomène distinct du gonflement, mais qui peut également produire des changements dimensionnels importants dans un alliage.
• L’irradiation des matériaux peut également induire des transformations de phase dans le matériau : dans le cas d’une solution solide, l’enrichissement ou l’appauvrissement en soluté au niveau des puits la ségrégation induite par l’irradiation peut conduire à la précipitation de nouvelles phases dans le matériau.

Les effets mécaniques de ces mécanismes comprennent le durcissement par irradiation, la fragilisation, le fluage et la fissuration assistée par l’environnement. Les amas de défauts, les boucles de dislocation, les vides, les bulles et les précipités produits à la suite d’une irradiation dans un matériau contribuent tous au renforcement et à la fragilisation (perte de ductilité) du matériau. La fragilisation est particulièrement préoccupante pour le matériau de la cuve sous pression du réacteur, car l’énergie nécessaire à la rupture de la cuve diminue considérablement. Il est possible de restaurer la ductilité en recuisant les défauts, et une grande partie de la prolongation de la durée de vie des réacteurs nucléaires dépend de la possibilité de le faire en toute sécurité. Le fluage est également fortement accéléré dans les matériaux irradiés, non pas en raison de l’augmentation des diffusivités, mais plutôt en raison de l’interaction entre la contrainte de réseau et la microstructure en développement. La fissuration assistée par l’environnement ou, plus précisément, la fissuration par corrosion sous contrainte assistée par irradiation (IASCC) est observée en particulier dans les alliages soumis à des rayonnements neutroniques et en contact avec de l’eau, causée par l’absorption d’hydrogène aux extrémités des fissures résultant de la radiolyse de l’eau, ce qui entraîne une réduction de l’énergie nécessaire à la propagation de la fissure.