《溫度變化和溫度梯度下鋯合金中氫化物的形成和斷裂》是依託香港理工大學深圳研究院，由石三強擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：溫度變化和溫度梯度下鋯合金中氫化物的形成和斷裂
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：石三強
- 依託單位：香港理工大學深圳研究院
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
鋯合金中氫化物引起的脆性斷裂是影響核電站安全運行的一個重要問題。我們已經在國際上首次建立了鋯合金中氫化物的形成與長大的彈塑性相場理論模型，但此模型仍然局限於恆溫及周期性邊界條件，且沒有斷裂判據。實際核電站運行過程中，溫度時常隨時間變化，且不同部位溫度也不相同，不存在周期性邊界條件。氫化物在鋯合金較冷部位的形成與斷裂，曾造成高達十億美元的事故。現在國際上仍然沒有一個能夠將塑性變形，化學擴散，應力梯度，溫度梯度（或溫度隨時間轉變）和斷裂過程等要素囊括其中的完善理論模型。基於多年的研究成果，我們將提出一套考慮以上所有要素的相場理論框架和研究方法，來預測實際氫化物在三維空間的形態演化及斷裂過程。本項目的成果不僅可以幫助改善核電站的設計，以及核電站安全和有效的運行，並且在其他具有塑性變形，溫度梯度，化學濃度梯度和應力梯度的複雜體系中（如光電子器件和航運材料領域）會有廣泛的套用。
結題摘要
鋯合金中氫化物引起的脆性斷裂是影響核電站安全運行的一個重要問題， 也是核廢料長期安全儲存所需要解決的一個重要問題。本項目的主要成果為： (1).在國際上首次構造了一個定量的鋯-氫體系的自由能。針對在沒有溫度梯度條件下，鋯-氫體系經歷恆溫、升溫或降溫的過程。研究了（a）塑性形變對氫化物演化的影響;（b）氫原子濃度對氫化物形貌的影響;（c）溫度冷卻速率對氫化物形貌的影響;（d）高溫淬火條件下，氫化物在真實空間、真實時間裡的形核、長大過程；（e）溫度升溫和降溫循環對氫化物形貌的影響, 對著名的“升溫降溫過程中氫化物的相變滯後現象”進行了研究，在國際上首次證實塑性形變是氫化物的相變滯後現象的物理根源。(2).完成了溫度梯度（溫度分布不均勻）對氫原子擴散、氫化物在一維和二維空間裡的形核、長大過程、及形態隨時間的變化的研究。在國際上第一次實現了對鋯-氫體系中的應力場、溫度梯度場、濃度擴散場的定量的相場耦合計算。(3).完成了氫化物表面能大小對氫化物形貌的影響；外加應力場對氫化物再取向的影響。這對研究氫化物鼓泡在合金表面的形成過程十分重要。(4).對裂紋和缺口周圍的應力梯度場對氫化物形貌的影響進行了研究。我們的研究不僅限於等溫過程，更重要的是包括變溫過程（既溫度升溫和降溫的多次循環）對裂紋周圍氫化物形貌的影響。從而證實了歷史上曾經觀察到的“ratcheting effect”的物理機理，同時也為歷史上曾經報導過的“記憶現象”找到了物理根源。這對研究裂紋在氫化物和氫化物鼓泡中萌生的條件都十分重要。我們還進行了核材料在核電站的高溫環境下老化和腐蝕的實驗研究。 本項目開發出來的相場計算方法，已經或正在被用於研究其他相關現象。本項目的成果不僅可以幫助改善核電站的設計、核電站安全和有效的運行，以及核廢料長期安全儲存，並且在其他具有塑性變形，溫度梯度，化學濃度梯度和應力梯度的複雜體系中（如電化學腐蝕、合金和電子材料中的相變等領域）會有廣泛的套用。
