EU-UA NUCLEAR
RESEARCH & EDUCATION
CAPACITY BUILDING
Funded
by the EU
Speaker Leonid Konotopskyi
Розвиток потенціалу ядерних досліджень і освіти ЄС-Україна
Семінар «Покращення освітніх програм провідних ВНЗ України за напрямом ядерної освіти»
25/06/2026
Навчальні курси, розроблені в Національному технічному університеті «Харківський політехнічний інститут»
(кафедра фізики металів та напівпровідників)
НАВЧАЛЬНА ДИСЦИПЛІНА
Funded
by the EU
Актуальність (анотація) навчальної дисципліни
В даному курсі студенти вивчають основи фізики взаємодії прискорених частинок с твердим тілом, а саме: кінематику парного зіткнення, розсіяння частинок в центральному полі сил, наближені методи рішення задачі розсіяння, потенціали атом-атомної взаємодії, аналітичне розв’язання задачі розсіяння частинок у випадку кулонівського потенціалу та квадратичного потенціалу Нільсена в загальному випадку та в імпульсному наближенні, втрати енергії прискорених частинок в твердому тілі в пружних та непружних зіткненнях, пробіги іонів та профілі розподілу енергії, виділеної по глибині мішені, каскади атомних зіткнень, первинні та вторинні радіаційні дефекти, механізми розпилення твердих тіл. Особливу увагу приділено закономірностям формування дефектної структури матеріалів уздовж траєкторії прискореної частинки у твердому тілі. Курс є базовим для задач прикладної фізики для отримання необхідних властивостей та параметрів, для створення нових сучасних матеріалів із заданими властивостями та радіаційно стійких матеріалів.
Funded
by the EU
Цільова аудиторія, зацікавлені сторони�
Funded
by the EU
Мета навчальної дисципліни�
Мета вивчення та засвоєння матеріалу з навчальної дисципліни полягає в формуванні у студентів основних понять про взаємодію прискорених частинок з атомами твердого тіла і фізичних процесів, які виникають у твердому тілі під час їх гальмування і подальшому відпалі. Вивчаються методи комп’ютерного моделювання розподілу в твердому тілі імплантованих частинок, радіаційних вакансій, власних міжвузельних атомів і іонізацій, енергетичних та кутових характеристик розпилених частинок. Отримуються знання для вирішення задач прикладної фізики по створенню перспективних матеріалів для роботи в умовах реакторного опромінення.
Funded
by the EU
НАВЧАЛЬНІ ДИСЦИПЛІНИ ВПРОВАДЖУЮТЬСЯ В ОСВІТНЬО-ПРОФЕСІЙНУ ПРОГРАМУ МАГІСРА З ПРИКЛАДНОЇ ФІЗИКИ ТА НАНОМАТЕРІАЛІВ
Галузь знань:
10 «Природничі науки»
Спеціальність:
Е6 Прикладна фізика та наноматеріали
Освітня програма:
Прикладна фізика наноматеріалів та радіотехнологій
Прикладна фізика наноматеріалів та радіотехнологій (посилання на ОПП): https://blogs.kpi.kharkov.ua/v2/quality/wp-content/uploads/sites/44/2024/10/105-Prykladna-fizyka-ta-nanomaterialy-dlya-energetyky-medytsyny-radioelektroniky-ta-telekomunikatsij-M-2024.pdf
Вибіркова дисципліна (посилання на Каталог вибіркових дисциплін): https://web.kpi.kharkov.ua/fmp/?page_id=3317
Ступінь вищої освіти, що присуджується випускнику: освітній ступінь "Магістр".
Funded
by the EU
Об’єм у кредитах ЄКТС: – 4
включаючи лекції – 32 години
лабораторні роботи– 16 годин
самостійна робота – 72 години
В рамках даної дисципліни студенти виконують індивідуальне домашнє завдання (ІДЗ).
Форма контролю: залік
Funded
by the EU
Теми лекційних занять
Тема 1. Кінематика парного зіткнення частинок. Основні визначення і фізичні припущення. Парні зіткнення частинок в лабораторній системі координат і в системі центра мас. Умова застосування класичної механіки.
Тема 2. Розсіяння частинок в центральному полі сил. Зведення задачі про розсіяння двох частинок до задачі руху однієї частинки в центральному полі сил. Рішення задачі про рух частинки в центральному полі. Переріз розсіяння. Алгоритм обчислення середньої енергії первинно вибитих атомів при зіткненні зі сторонньою частинкою.
Тема 3. Наближені методи рішення задачі розсіяння. Імпульсне наближення. Наближення твердих сфер.
Тема 4. Потенціали атом-атомної взаємодії. Фізика взаємодії прискорених частинок з твердим тілом Міжатомні сили. Наближені потенціали атом-атомної взаємодії. Функції екранування кулонівського потенціалу. Класифікація іонів в ядерному реакторі.
Тема 5. Розв’язання задач розсіяння частинок у випадку ступеневих потенціалів атом-атомної взаємодії. Аналітичне розв’язання задачі розсіяння частинок у випадку кулонівського потенціалу (загальний випадок). Аналітичне розв’язання задачі розсіяння частинок у випадку кулонівського потенціалу (імпульсне наближення). Умови застосування кулонівського потенціалу іон-атомної взаємодії. Аналітичне розв’язання задачі розсіяння частинок у випадку квадратичного потенціалу взаємодії Нільсена (загальний випадок). Аналітичне розв’язання задачі розсіяння частинок у випадку квадратичного потенціалу взаємодії Нільсена (імпульсне наближення).
Тема 6. Втрати енергії прискорених частинок в твердому тілі. Пружні (ядерні) втрати енергії. Непружні (електронні) втрати енергії. Співвідношення ядерних (пружних) і електронних (непружних) втрат енергії в залежності від швидкості іонів. Втрати енергії на збудження фононів.
Funded
by the EU
Тема 7. Пробіги іонів, профілі розподілу іонів і виділеної енергії по глибині мішені. Типи пробігів прискорених іонів у твердому тілі . Функції пробігів, ядерних та електронних втрат енергії. Рівняння для траєкторного пробігу іонів. Метод моментів функцій розподілу. Рішення рівняння для траєкторного пробігу іоні. Апроксимація профілів розподілу пробігів функціями Пірсона. Метод Монте-Карло побудови профілей розподілу імплантованих іонів і виділеної енергії.
Тема 8. . Каскад атомних зіткнень Каскадна функція. Модель Кінчина-Піза. Каскад при великих енергіях первинно вибитого атома. Ефект каналірування. Вплив каналірування на розподіл імплантованих атомів по глибині мішені Каскад при низьких енергіях. Фокусування співударів. Теплові піки.
Тема 9. Точкові дефекти в опромінених металах Пари Френкеля. Точкові дефекти в ГЦК-, ОЦК- та ГЩП- металах. Енергетичні характеристики точкових дефектів та методи їх визначення. Відпал точкових дефектів в опромінених металах.
Тема 10. Вторинні радіаційні дефекти. Дислокаційні петлі проникнення і віднімання в металах. Вплив механічних напружень на зародження та зростання дислокаційних петель. Теорії радіаційної плинності. Домішково-вакансійні комплекси в опромінених металах. Радіаційні пори.
Тема 11. Розпилення твердих тіл іонним бомбардуванням. Механізми розпилення твердих тіл. Коефіцієнт розпилення, порогова енергія розпилення. Залежність коефіцієнта розпилення від енергії прискорених атомів, співвідношення атомних мас, кута падіння та температури мішені. Характеристика розпилених частинок.
Funded
by the EU
Теми лабораторних робіт
Робота 1. Побудова профілей розподілу імплантованих частинок і виділеної енергії у твердих тілах методом функцій Пірсона.
Робота 2. Комп’ютерне моделювання процесів взаємодії прискорених частинок з однокомпонентною мішенню.
Робота 3. Комп’ютерне моделювання процесів взаємодії прискорених частинок з багатокомпонентною мішенню.
Робота 4. Комп’ютерне моделювання процесів взаємодії прискорених частинок з шаруватою мішенню.
Робота 5. Комп’ютерне моделювання процесу розпилення твердих тіл під впливом прискорених частинок
Funded
by the EU
Особливості навчальної дисципліни�
Funded
by the EU
Розглянута дисципліна забезпечує наступні результати навчання:
Funded
by the EU
РН1. Використовувати знання в галузі прикладної фізики, математики, електроніки та інформаційних технологій для виконання наукових досліджень та розв'язання виробничих задач.
РН2. Знаходити та аналізувати наукову та науково-технічну інформацію в галузі прикладної фізики та наноматеріалів із вітчизняних та зарубіжних джерел.
РН4. Встановлювати та аргументувати нові залежності між параметрами та характеристиками фізичних систем.
РН5. Ефективно працювати як індивідуально, так і в складі команди, оцінювати та забезпечувати якість виконуваних робіт у галузі прикладної фізики та наноматеріалів.
РН7. Вміти здійснювати комп'ютерне моделювання фізичних систем та процесів при вирішенні практичних задач.
Funded
by the EU
Приклади лекційного матеріалу
НАВЧАЛЬНА ДИСЦИПЛІНА
Funded
by the EU
Актуальність навчальної дисципліни
Стрімкий розвиток ядерної та термоядерної енергетики висуває підвищені вимоги до надійності та довговічності конструкційних матеріалів, які працюють в умовах інтенсивного радіаційного, теплового та плазмового навантаження. Особливої актуальності ці питання набувають при створенні реакторів нового покоління, а також у міжнародних проєктах керованого термоядерного синтезу, зокрема ITER, де матеріали першої стінки та дивертора зазнають екстремальних впливів потоків плазми та високоенергетичних частинок.
Важливим завданням сучасного матеріалознавства є встановлення закономірностей еволюції структури, напруженого стану та морфології поверхні матеріалів під дією опромінення і плазмових навантажень. Вивчення механізмів радіаційного пошкодження, ерозії, накопичення дефектів, розтріскування та деградації властивостей матеріалів є необхідною умовою забезпечення безпечної та ефективної експлуатації ядерних і термоядерних енергетичних установок.
Таким чином, підготовка фахівців, здатних досліджувати процеси плазмової та радіаційної взаємодії матеріалів, використовувати сучасні методи структурного аналізу та розробляти підходи до підвищення стійкості матеріалів в екстремальних умовах, визначає актуальність навчальної дисципліни «Плазмова та радіаційна поверхнева взаємодія матеріалів в екстремальних умовах».
Funded
by the EU
Цільова аудиторія, зацікавлені сторони�
магістри, аспіранти та молоді науковці спеціальностей «Прикладна фізика та наноматеріали», «Матеріалознавство», «Ядерна енергетика», діяльність яких пов'язана з дослідженням поведінки матеріалів в умовах радіаційного та плазмового впливу.
Funded
by the EU
Мета навчальної дисципліни�
Метою навчальної дисципліни є формування у здобувачів вищої освіти теоретичних знань і практичних навичок щодо фізичних процесів плазмової та радіаційної взаємодії з матеріалами в екстремальних умовах експлуатації. У межах дисципліни вивчаються механізми радіаційного пошкодження, ерозії, дефектоутворення, модифікації структури та властивостей матеріалів під дією потоків заряджених частинок і плазми.
Особлива увага приділяється матеріалам першої стінки та дивертора термоядерних реакторів, а також конструкційним матеріалам ядерної енергетики. Студенти опановують сучасні експериментальні та дифракційні методи дослідження структурного і напруженого стану матеріалів, набувають компетентностей для аналізу та прогнозування їхньої поведінки в умовах інтенсивних теплових, плазмових і радіаційних навантажень.
Funded
by the EU
НАВЧАЛЬНІ ДИСЦИПЛІНИ ВПРОВАДЖУЮТЬСЯ В ОСВІТНЬО-ПРОФЕСІЙНУ ПРОГРАМУ МАГІСРА З ПРИКЛАДНОЇ ФІЗИКИ ТА НАНОМАТЕРІАЛІВ
Галузь знань:
10 «Природничі науки»
Спеціальність:
Е6 Прикладна фізика та наноматеріали
Освітня програма:
Прикладна фізика наноматеріалів та радіотехнологій
Прикладна фізика наноматеріалів та радіотехнологій (посилання на ОПП): https://blogs.kpi.kharkov.ua/v2/quality/wp-content/uploads/sites/44/2024/10/105-Prykladna-fizyka-ta-nanomaterialy-dlya-energetyky-medytsyny-radioelektroniky-ta-telekomunikatsij-M-2024.pdf
Вибіркова дисципліна (посилання на Каталог вибіркових дисциплін): https://web.kpi.kharkov.ua/fmp/?page_id=3317
Ступінь вищої освіти, що присуджується випускнику: освітній ступінь "Магістр".
Funded
by the EU
Об’єм у кредитах ЄКТС: – 4
включаючи лекції – 32 години
практичні заняття – 16 годин
самостійна робота – 72 години
В рамках даної дисципліни студенти виконують індивідуальне домашнє завдання (ІДЗ).
Форма контролю: залік
Funded
by the EU
Теми лекційних занять
Тема 1. Матеріалознавчі проблеми в ядерній та термоядерній енергетиці
Розвиток ядерно-енергетичного комплексу в Україні. Інтернаціональний термоядерний експериментальний реактор. Вибір оптимального «набору» конструкційних матеріалів для кожного з вузлів та систем реактора.
Тема 2. Фізика плазми, як підрозділ фізики суцільних середовищ
Стійкість плазми в зовнішніх полях. Електричні, магнітні та оптичні властивості плазми. Утримання плазми в магнітних пастках; керований термоядерний синтез.
Тема 3. Фізичні процеси при взаємодії потужних потоків плазми з поверхнею твердих тіл
Основні фактори радіаційної ерозії конструкційних матеріалів в умовах значних корпускулярно-енергетичних навантажень. Критерії вибору матеріалів дивертора ТЯР та напрями дослідження. Стійкість матеріалів першої стінки та дивертора ТЯР в умовах значних корпускулярно-енергетичних навантажень. Модифікація структури та властивостей поверхневих шарів твердих тіл при опроміненні імпульсними плазмовими потоками.
Тема 4. Фізичні процеси в поверхні твердих тіл при взаємодії з потужними потоками плазми
Основні чинники радіаційної ерозії конструкційних матеріалів в умовах значних корпускулярно-енергетичних навантажень. Механізми розпорошення. Дугоутворення, катодні плями. Нагрівання, імпульсне нагрівання. Плавлення, випаровування. Механізми гальмування. Акумуляція гелію та водню. Радіаційне опромінення та структурні зміни.
Funded
by the EU
Тема 5. Сучасні методики вивчення структурного стану
Класифікація дефектів по М.Я. Кривоглаза. Вивчення залишкових напружень в матеріалах із різною структурою та текстурою. Період решітки в ненапруженому стані та характеристики структури, субструктури. Дослідження напружень в ковзній геометрії.
Тема 6. Особливості стимульованих змін у зразках вольфраму в умовах циклічних плазмових навантажень типу ELM
Механізми радіаційної ерозії при опроміненні. Радіаційна ерозія при корпускулярно-енергетичних навантаженнях, типових для зриву струму в токамаку-реакторі ITER. Структура опромінених поверхонь. Вплив імпульсного плазмового навантаження на процеси структурних змін та ерозії W та WTa5.
Тема 7. Розтріскування зразків вольфраму в умовах циклічних плазмових навантажень типу ELM
Залежність процесу розтріскування від параметрів плазмового навантаження та температури зразка. Зв'язок процесу розтріскування з накопиченням та розвитком внутрішніх залишкових напружень. Особливості стимульованих змін напруженого стану поверхні пластин вольфраму в умовах циклічних плазмових навантажень типу ELM. Змінення характеристик субструктури вольфрамових зразків, опромінених водневою плазмою. Механізм зародження тріщин у високочистому вольфрамі під дією інтенсивних потоків водневої плазми.
Тема 8. Вплив плазмових навантажень на структурний стан тонких покриттів
Поведінка вольфрамових покриттів на сталях першої стінки при опроміненні водневою плазмою. Стійкість квазікристалічних тонких покриттів під дією плазмових навантажень.
Funded
by the EU
Теми практичних занять
Тема 1. Первинні процеси взаємодії частинок і випромінювання з твердим тілом
Нагрівання, імпульсне нагрівання, плавлення, випаровування. Пружний та непружний механізми дефектоутворення в твердому тілі. Радіаційна пошкоджуваність металів, радіаційно-стимульовані процеси. Впорядкування сплавів, дифузія, фазові перетворення, розвиток пористості в опромінених матеріалах. Критерії вибору матеріалів, що контактуватимуть з плазмою.
Тема 2. Експериментальні установки і методики експериментів
Експериментальні установки та обладнання. Квазістаціонарний потужнострумовий плазмовий прискорювач КСПП Х-50. Стержневий інжектор IBIS. Імпульсний прискорювач плазми ІПУ. Електронні пучки, іонні пучки. Лінійні пристрої (PSI-2, Magnum). Методики вимірювання параметрів плазми, що впливає на поверхню. Основні характеристики плазмових навантажень на матеріали в експериментах на КСПП Х-50.
Тема 3. Рентгенодифракційне вивчення стимульованих опроміненням плазмою змінень в структурі матеріалів дивертора та першої стінки
Методики дослідження напруженого стану у вольфрамових пластинах з різним типом та досконалістю текстури. Методики вивчення характеристик субструктури та комплексів точкових дефектів.
Тема 4. Тонкі плівки як модельний матеріал для радіаційного матеріалознавства
Особливості змінення структурного стану та напруженого стану вакуумних конденсатів при опроміненні іонами та під дією факторів відкритого космічного простору.
Funded
by the EU
Особливості навчальної дисципліни�
Funded
by the EU
Розглянута дисципліна забезпечує наступні результати навчання:
Funded
by the EU
РН1 – використання знань прикладної фізики для дослідження процесів плазмової та радіаційної взаємодії матеріалів.
РН2 – аналіз сучасної наукової та науково-технічної інформації з фізики плазми, матеріалознавства та термоядерної енергетики.
РН3 – пошук та обґрунтування нових рішень щодо підвищення радіаційної та плазмової стійкості матеріалів.
РН4 – встановлення залежностей між параметрами плазмового навантаження, опромінення та змінами структури і властивостей матеріалів.
РН5 – виконання дослідницьких робіт у галузі прикладної фізики та наноматеріалів.
РН6 – формулювання висновків за результатами експериментальних досліджень та їх представлення науковій аудиторії.
Funded
by the EU
Приклади лекційного матеріалу
Дякую за увагу
Funded
by the EU