Hoge-energetische neutronen beschadigen en degraderen materialen in de loop van de tijd; het bombarderen van materialen met neutronen leidt tot botsingscascades die puntdefecten en dislocaties in het materiaal kunnen veroorzaken, waarvan het ontstaan de belangrijkste drijvende kracht is achter microstructurele veranderingen die in de loop van de tijd optreden in aan straling blootgestelde materialen. Bij hoge neutronenfluxen kan dit leiden tot verbrossing van metalen en andere materialen, en tot door neutronen veroorzaakte zwelling in sommige van deze materialen. Dit vormt een probleem voor vaten van kernreactoren en beperkt in aanzienlijke mate hun levensduur (die enigszins kan worden verlengd door gecontroleerde gloeiing van het vat, waardoor het aantal opgebouwde dislocaties wordt verminderd). Grafiet neutronenmoleculatorblokken zijn bijzonder gevoelig voor dit effect, bekend als het Wigner effect, en moeten periodiek worden uitgegloeid. De brand in Windscale werd veroorzaakt door een ongeluk tijdens een dergelijke gloeioperatie.
Stralingsschade aan materialen ontstaat als gevolg van de interactie van een energetisch invallend deeltje (een neutron, of anderszins) met een roosteratoom in het materiaal. De botsing veroorzaakt een massale overdracht van kinetische energie naar het roosteratoom, dat van zijn plaats in het rooster wordt verdreven en het zogenaamde primaire knock-on atoom (PKA) wordt. Omdat het PKA omringd is door andere roosteratomen, resulteert zijn verplaatsing en passage door het rooster in vele opeenvolgende botsingen en de creatie van bijkomende knock-on atomen, wat bekend staat als de botsingscascade of verplaatsingscascade. De knock-on atomen verliezen energie bij elke botsing en eindigen als interstitialen, waardoor in feite een reeks Frenkel-defecten in het rooster ontstaat. Als gevolg van de botsingen ontstaat ook warmte (door elektronisch energieverlies), evenals mogelijk getransmuteerde atomen. De omvang van de schade is zodanig dat één enkel neutron van 1 MeV, dat een PKA in een ijzerrooster creëert, ongeveer 1.100 Frenkelparen produceert. De gehele cascade vindt plaats in een tijdschaal van 1 × 10-13 seconden, en kan daarom alleen worden “waargenomen” in computersimulaties van de gebeurtenis.
De knock-on atomen eindigen in niet-evenwichtige interstitiële roosterposities, waarvan er vele zichzelf annihileren door terug te diffunderen naar naburige vacante roosterplaatsen en het geordende rooster te herstellen. Degenen die dat niet doen of niet kunnen, laten vacatures achter, hetgeen een lokale stijging van de vacatureconcentratie veroorzaakt ver boven die van de evenwichtsconcentratie. Deze vacatures hebben de neiging om als gevolg van thermische diffusie te migreren naar vacatureputten (d.w.z. korrelgrenzen, dislocaties), maar bestaan gedurende een aanzienlijke tijd, gedurende welke extra hoogenergetische deeltjes het rooster bombarderen, waardoor botsingscascades en extra vacatures ontstaan, die naar putten migreren. Het belangrijkste effect van bestraling in een rooster is de significante en aanhoudende stroom van defecten naar putten in wat bekend staat als de defectwind. Vacatures kunnen ook annihileren door met elkaar te combineren om dislocatie-lussen te vormen en later, roostervlekken.
De botsingscascade creëert veel meer vacatures en interstitialen in het materiaal dan het evenwicht voor een gegeven temperatuur, en de diffusiviteit in het materiaal wordt daardoor dramatisch verhoogd. Dit leidt tot een effect dat stralingsgeïnduceerde diffusie wordt genoemd en dat in de loop van de tijd leidt tot microstructurele evolutie van het materiaal. De mechanismen die leiden tot de evolutie van de microstructuur zijn talrijk, kunnen variëren met temperatuur, flux en fluentie, en zijn onderwerp van uitgebreide studie.
- Stralingsgeïnduceerde segregatie resulteert uit de bovengenoemde flux van vacatures naar putten, hetgeen een flux van roosteratomen weg van putten impliceert; maar niet noodzakelijk in dezelfde verhouding tot de samenstelling van de legering in het geval van een gelegeerd materiaal. Deze fluxen kunnen dus leiden tot depletie van legeringselementen in de buurt van putten. Voor de flux van interstitialen geïntroduceerd door de cascade, is het effect omgekeerd: de interstitialen diffunderen naar putten wat resulteert in verrijking van de legering nabij de put.
- Dislocatie-lussen worden gevormd als vacatures clusters vormen op een rooster-vlak. Als deze vacatureconcentraties zich in drie dimensies uitbreiden, vormt zich een leegte. Leemten bevinden zich per definitie in vacuüm, maar kunnen met gas gevuld worden in het geval van alfadeeltjesstraling (helium) of als het gas ontstaat als gevolg van transmutatiereacties. De leegte wordt dan een luchtbel genoemd en leidt tot dimensionale instabiliteit (door neutronen veroorzaakte zwelling) van aan straling blootgestelde onderdelen. Zwellen vormt op lange termijn een belangrijk ontwerpprobleem, vooral bij reactordelen van roestvrij staal. Legeringen met kristallografische isotropie, zoals Zircaloys, zijn onderhevig aan het ontstaan van dislocatie-lussen, maar vertonen geen holtevorming. In plaats daarvan vormen de lussen zich op bepaalde roosteroppervlakken en kunnen leiden tot door bestraling veroorzaakte groei, een verschijnsel dat verschilt van zwelling, maar dat ook aanzienlijke dimensionale veranderingen in een legering kan veroorzaken.
- Bestraling van materialen kan ook fasetransformaties in het materiaal teweegbrengen: in het geval van een vaste oplossing kan de verrijking of verarming van opgeloste stoffen in putten door straling veroorzaakte segregatie leiden tot de precipitatie van nieuwe fasen in het materiaal.
De mechanische effecten van deze mechanismen omvatten bestralingsverharding, verbrossing, kruip, en door de omgeving bevorderde scheurvorming. De defectclusters, dislocatielussen, holten, bellen, en precipitaten die als gevolg van bestraling in een materiaal worden geproduceerd dragen allen bij tot de versterking en verbrossing (verlies van ductiliteit) in het materiaal. Verbrossing is van bijzonder belang voor het materiaal waaruit het reactordrukvat bestaat, waar als gevolg daarvan de energie die nodig is om het vat te breken aanzienlijk afneemt. Het is mogelijk de vervormbaarheid te herstellen door de defecten uit te gloeien, en een groot deel van de verlenging van de levensduur van kernreactoren hangt af van de mogelijkheid om dit veilig te doen. Kruip wordt ook sterk versneld in bestraalde materialen, zij het niet als gevolg van de verhoogde diffusie, maar eerder als gevolg van de wisselwerking tussen de roosterspanning en de zich ontwikkelende microstructuur. Scheurvorming door omgevingsinvloeden of meer bepaald door bestraling ondersteunde spanningscorrosie (IASCC) wordt vooral waargenomen in legeringen die blootstaan aan neutronenstraling en in contact zijn met water, veroorzaakt door waterstofabsorptie aan de scheurtips ten gevolge van de radiolyse van het water, wat leidt tot een vermindering van de energie die nodig is om de scheur voort te planten.