I neutroni ad alta energia danneggiano e degradano i materiali nel tempo; il bombardamento dei materiali con neutroni crea cascate di collisioni che possono produrre difetti puntiformi e dislocazioni nel materiale, la cui creazione è il motore principale dei cambiamenti microstrutturali che avvengono nel tempo nei materiali esposti alle radiazioni. Ad alte fluenze di neutroni questo può portare all’infragilimento di metalli e altri materiali, e al rigonfiamento indotto dai neutroni in alcuni di essi. Questo rappresenta un problema per i recipienti dei reattori nucleari e limita significativamente la loro vita (che può essere in qualche modo prolungata da una ricottura controllata del recipiente, riducendo il numero delle dislocazioni accumulate). I blocchi del moderatore di neutroni in grafite sono particolarmente suscettibili a questo effetto, noto come effetto Wigner, e devono essere ricotti periodicamente. L’incendio di Windscale è stato causato da un incidente durante tale operazione di ricottura.

I danni da radiazione ai materiali si verificano come risultato dell’interazione di una particella incidente energetica (un neutrone, o altro) con un atomo del reticolo nel materiale. La collisione causa un massiccio trasferimento di energia cinetica all’atomo del reticolo, che viene spostato dal suo sito di reticolo, diventando quello che è noto come l’atomo primario knock-on (PKA). Poiché il PKA è circondato da altri atomi del reticolo, il suo spostamento e passaggio attraverso il reticolo provoca molte collisioni successive e la creazione di ulteriori atomi knock-on, producendo ciò che è noto come cascata di collisioni o cascata di spostamento. Gli atomi knock-on perdono energia ad ogni collisione e terminano come interstiziali, creando effettivamente una serie di difetti di Frenkel nel reticolo. Anche il calore viene creato come risultato delle collisioni (dalla perdita di energia elettronica), così come gli atomi eventualmente trasmutati. La grandezza del danno è tale che un singolo neutrone da 1 MeV che crea un PKA in un reticolo di ferro produce circa 1.100 coppie Frenkel. L’intero evento a cascata si verifica su una scala temporale di 1 × 10-13 secondi, e quindi, può essere “osservato” solo nelle simulazioni al computer dell’evento.

Gli atomi knock-on terminano in posizioni interstiziali del reticolo non in equilibrio, molti dei quali si annichilano diffondendo di nuovo nei vicini siti vacanti del reticolo e ripristinano il reticolo ordinato. Quelli che non lo fanno o non possono lasciare dei vuoti, il che causa un aumento locale della concentrazione dei vuoti molto al di sopra di quella di equilibrio. Questi posti vacanti tendono a migrare come risultato della diffusione termica verso i pozzi vacanti (cioè i confini dei grani, le dislocazioni), ma esistono per quantità significative di tempo, durante le quali ulteriori particelle ad alta energia bombardano il reticolo, creando cascate di collisione e ulteriori posti vacanti, che migrano verso i pozzi. L’effetto principale dell’irradiazione in un reticolo è il flusso significativo e persistente di difetti verso i pozzi in quello che è conosciuto come il vento dei difetti. I vuoti possono anche annichilirsi combinandosi tra loro per formare loop di dislocazione e, più tardi, vuoti di reticolo.

La cascata di collisioni crea molti più vuoti e interstiziali nel materiale rispetto all’equilibrio per una data temperatura, e la diffusività nel materiale aumenta drammaticamente come risultato. Questo porta ad un effetto chiamato diffusione potenziata dalla radiazione, che porta all’evoluzione microstrutturale del materiale nel tempo. I meccanismi che portano all’evoluzione della microstruttura sono molti, possono variare con la temperatura, il flusso e la fluenza, e sono oggetto di studi approfonditi.

• La segregazione indotta dalle radiazioni risulta dal suddetto flusso di posti vacanti verso i pozzi, che implica un flusso di atomi del reticolo lontano dai pozzi; ma non necessariamente nella stessa proporzione della composizione della lega nel caso di un materiale legato. Questi flussi possono quindi portare all’esaurimento degli elementi di lega in prossimità dei pozzi. Per il flusso di interstiziali introdotti dalla cascata, l’effetto è invertito: gli interstiziali si diffondono verso i pozzi con conseguente arricchimento della lega vicino al pozzo.
• I loop di dislocazione si formano se i vuoti formano cluster su un piano del reticolo. Se queste concentrazioni di vuoti si espandono in tre dimensioni, si forma un vuoto. Per definizione, i vuoti sono sotto vuoto, ma possono diventare pieni di gas nel caso di radiazioni di particelle alfa (elio) o se il gas è prodotto come risultato di reazioni di trasmutazione. Il vuoto è allora chiamato bolla, e porta all’instabilità dimensionale (rigonfiamento indotto dai neutroni) delle parti soggette a radiazioni. Il rigonfiamento rappresenta un grosso problema di progettazione a lungo termine, specialmente nei componenti del reattore in acciaio inossidabile. Le leghe con isotropia cristallografica, come le Zircaloys, sono soggette alla creazione di anelli di dislocazione, ma non mostrano la formazione di vuoti. Invece, i loop si formano su particolari piani reticolari, e possono portare alla crescita indotta dall’irradiazione, un fenomeno distinto dal rigonfiamento, ma che può anche produrre cambiamenti dimensionali significativi in una lega.
• L’irradiazione dei materiali può anche indurre trasformazioni di fase nel materiale: nel caso di una soluzione solida, l’arricchimento o l’impoverimento del soluto ai lavandini la segregazione indotta dalle radiazioni può portare alla precipitazione di nuove fasi nel materiale.

Gli effetti meccanici di questi meccanismi includono l’indurimento da irradiazione, l’infragilimento, lo scorrimento e la criccatura assistita dall’ambiente. Gli ammassi di difetti, i cicli di dislocazione, i vuoti, le bolle e i precipitati prodotti a seguito dell’irraggiamento in un materiale contribuiscono tutti al rafforzamento e all’infragilimento (perdita di duttilità) nel materiale. L’infragilimento è particolarmente preoccupante per il materiale che compone il contenitore a pressione del reattore, dove come risultato l’energia richiesta per rompere il contenitore diminuisce significativamente. È possibile ripristinare la duttilità ricotturando i difetti, e gran parte del prolungamento della vita dei reattori nucleari dipende dalla capacità di farlo in sicurezza. Il creep è anche notevolmente accelerato nei materiali irradiati, anche se non come risultato della maggiore diffusività, ma piuttosto come risultato dell’interazione tra lo stress reticolare e lo sviluppo della microstruttura. La criccatura assistita dall’ambiente o, più specificamente, la criccatura da tensocorrosione assistita dall’irradiazione (IASCC) si osserva soprattutto nelle leghe soggette a radiazioni neutroniche e a contatto con l’acqua, causata dall’assorbimento di idrogeno sulle punte delle cricche derivante dalla radiolisi dell’acqua, che porta a una riduzione dell’energia necessaria per propagare la cricca.