低活化鋼的中子輻照後氦效應機理研究

《低活化鋼的中子輻照後氦效應機理研究》是依託中國科學技術大學，由彭蕾擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：低活化鋼的中子輻照後氦效應機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：彭蕾
• 依託單位：中國科學技術大學

中文摘要

低活化鐵素體/馬氏體（RAFM）鋼是聚變反應堆的首選抗輻照結構材料，高能14MeV聚變中子輻照將在材料內部引起輻照缺陷及氫氦嬗變元素，使材料力學性能退化，服役壽命降低和風險增加，輻照損傷研究成為RAFM鋼研究熱點。影響聚變中子輻照損傷因素複雜，國際上做了大量研究並分析了輻照損傷一些規律，但材料輻照損傷機理尤其是輻照後氦效應的研究不夠深入，氦與輻照缺陷相互作用機制尚不明確，因此，低活化鋼的輻照後氦效應及抗輻照微結構分析是輻照損傷機理研究的熱點及難點。本項目擬對中國低活化馬氏體（CLAM）鋼等低活化鋼，通過測試輻照前後的力學性能和微觀結構，分析中子輻照後氦影響的劑量效應、溫度效應和微結構對氦效應影響機制，同時結合分子動力學模擬研究，可為提高CLAM鋼抗輻照性能及最佳化製備工藝提供實驗依據和理論指導。本研究對聚變堆結構材料的早期套用和長期服役具有重要意義。

結題摘要

聚變堆中子將引起首選結構材料低活化鋼的輻照損傷及壽命降低，雖然國際上已開展大量輻照實驗研究，但因沒有強流聚變中子源且高能中子輻照數據稀少，中子輻照後氦效應機理不明，是國際材料輻照研究的不足和難點。為此，項目利用目前世界唯一可同時產生高劑量和高氦產額的散裂中子源SINQ，研究了國內外典型低活化鋼的散裂中子輻照損傷及氦效應，結合原子尺度模擬分析，探索了中子輻照後氦導致硬化/脆化效應及微結構影響的根源機理，初步評測了聚變堆結構鋼的輻照服役壽命。主要進展為： 1、立足於核結構鋼國產化需求，完成了國產低活化鋼CLAM在STIP-V輻照實驗樣品（100-500℃，3-22dpa，250-1600apppm）的拉伸、硬度、正電子湮沒和TEM等輻照後測試，分析了輻照劑量、氦濃度、輻照/測試溫度等對強度/延伸率、拉伸斷口、硬度和缺陷/氦泡的尺寸分布/數密度等變化的影響規律，獲得了國產核結構鋼的首次高劑量（>20dpa）中子輻照實驗數據，也是國產低活化鋼的首次中子輻照後氦效應實驗數據； 2、比較分析CLAM、Eurofer97、F82H和Optimax-A等低活化鋼散裂中子輻照後硬化/脆化規律，發現了散裂中子輻照損傷具有高溫（>~320℃）輻照回復效應，並進行散裂中子輻照後退火回復以消除點缺陷團/位錯環等輻照缺陷，分析了氦泡尺寸/數密度和氦硬化隨輻照劑量/氦濃度的變化趨勢及溫度影響，依據氦泡量化數據和氦硬化之間關聯分析，從實驗上獲得了令人信服的低活化鋼中子輻照後氦泡硬化數據，推導了氦泡阻擋位錯移動硬化的影響因子； 3、參考散裂中子輻照實驗損傷參數，利用分子動力學和第一性原理方法，研究低活化鋼中子輻照後氦效應及微結構影響，從氦泡的結構特性、氦/空位比率、尺寸和溫度等因素出發，分析了穩定氦泡對臨界切應力和晶界強度/塑性降低脆化行為的影響機制，探索了位錯和晶界等對氦泡結構/演化和氦硬化/氦脆化等的影響。