《射線輻照下材料微結構的演化及其對力學性能的影響》是依託復旦大學，由霍永忠擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：射線輻照下材料微結構的演化及其對力學性能的影響
- 依託單位：復旦大學
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：霍永忠
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
核環境下材料力學性能的變化是影響核工程安全可靠性的一個主要因素，而巨觀性能的變化主要決定於輻射誘發材料內多種微結構在輻照-熱-力耦合作用下的演化過程。本課題擬在分析輻照缺陷對材料自由能和缺陷遷移能等熱力學性質影響的基礎上，結合反應擴散方程和相場方法，建立空洞、氣泡等典型輻照微結構的演化方程，並利用已有的輻照實驗和原子、分子計算模擬結果，確定或效驗演化方程涉及的參數和條件；進而計算分析典型核材料和燃料在輻照下產生腫脹、生長和加速蠕變的過程，找出主要影響因素和變化規律；結合位錯動力學和晶體塑性力學理論，分析空洞、氣泡等輻照微結構對材料輻照硬化和脆化的影響，從而將輻照微結構作為內變數納入材料的本構關係。本課題的完成，將有助於弄清輻照誘發的材料力學性能變化的微觀機制、主要影響因素和影響規律，為提高核安全和建設先進核反應堆提供理論參考，也能豐富力學中的多場、多尺度研究方法，進一步拓展力學本構理論。
結題摘要
本項目針對核環境下材料力學性能變化這一影響核工程安全可靠性的主要因素開展了以下研究工作：核材料輻照微結構演化的計算與分析；核材料與燃料輻照腫脹應變的計算模擬與分析；典型核燃料元件堆內輻照力學行為多尺度模擬與分析；核燃料包殼管微動損傷的實驗和計算模擬分析。取得的主要成果有： 1. 獲得了描述核材料輻照缺陷產生、擴散與聚集而形成微結構演化的計算模型：輻照下高能量中子衝擊晶體材料的原子，造成其離位而產生空位和間歇原子，進而擴散、聚集形成空洞，從而使材料體積增大的過程可通過基於相場理論建立的演化方程，以及基於熱力學形核理論的形核算法進行定量模擬。其中主要參數與函式應根據不同環境和材料類型，參考文獻中第一性原理和分子動力學計算，以及輻照材料熱力學分析和實驗結果加以確定。 2. 建立了核燃料輻照腫脹效應的多尺度計算模型與高效數值計算方法：由於裂變氣體聚集形成氣泡是核燃料輻照下體積增大的主要因素，在基於反應擴散方程改進的Booth模型基礎上，考慮輻照下重溶、再結晶等過程的影響，並結合不同種類核燃料元件特性，建立了核燃料輻照腫脹效應的多尺度計算模型，並提出了高效的數值計算方法。計算分析結果表明，該模型確能更好的擬合輻照實驗，並能用於多種不同類型的核燃料元件。 3. 計算模擬了典型核燃料元件堆內輻照多尺度力學行為，找出了影響輻照效應的主要因素，分析了其影響規律：選取典型元件,如U-Mo/Zr燃料板、ADS用燃料球、UO2/Zr燃料板、惰性基體燃料板等開展了輻照效應，尤其力學效應的多尺度計算模擬，針對燃料顆粒分布、堆內非均勻輻照、溫度等主要影響因素進行了詳細的分析，找出了影響的原因和規律。 4. 測得了核燃料包殼管的微動磨損和疲勞特性，計算分析了主要影響因素與規律：針對微動磨損與微動疲勞等較常見的微動損傷問題開展了實驗和理論分析工作，提出了一種獲得發明專利授權的微動疲勞實驗方法，並測得了鋯合金管微動疲勞下的S-N曲線與磨坑形貌；提出了一種較高效的格線更新方法，基於有限元應力分析、磨損與多軸疲勞模型編制了軟體包，模擬和分析了微動磨損和微動疲勞過程及主要影響因素。 研究成果為建立核材料輻照損傷的多尺度模型打下了基礎，也可用於反應堆燃料元件輻照效應的計算模擬和分析，以及新一代反應堆燃料元件的開發設計。
