第七講 核材料輻照效應(yīng)

1、第七講第七講 核材料的輻照效應(yīng)核材料的輻照效應(yīng)楊 亮南京航空航天大學(xué)反應(yīng)堆材料的輻照問題 反應(yīng)堆（特別是堆內(nèi)）晶態(tài)合金材料在長期經(jīng)受各種粒子、射線輻照，特別是中子輻照時產(chǎn)生結(jié)構(gòu)和性能的變化。表現(xiàn)為：輻照生長、腫脹、蠕變加快、氫脆氧化、應(yīng)力開裂、塑性和韌性下降等。即結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定不穩(wěn)定，機(jī)械、物理、化學(xué)性能逐步下降性能逐步下降，影響其服役壽命。核材料的輻照效應(yīng)本質(zhì) 粒子輻照，特別是中子輻照時，粒子與原子的各種碰撞效應(yīng)碰撞效應(yīng)導(dǎo)致受激發(fā)原子的自由遷移原子的自由遷移，再通過撞擊其他原子導(dǎo)致級聯(lián)效應(yīng)級聯(lián)效應(yīng)的產(chǎn)生。在此過程中，缺陷缺陷萌生、長大，并集中于晶界，甚至于材料表面。微觀的空位、空穴等缺陷長大

2、、集中，發(fā)展為介觀到宏觀尺度的空洞，最終導(dǎo)致材料的結(jié)構(gòu)變化和損傷，性能失效。因此，被激發(fā)原子的隨機(jī)遷移性與晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的有序性之間的矛盾是制約晶態(tài)合金耐輻照性的最根本原因。 理論計算輻照環(huán)境下納米晶材料的結(jié)構(gòu)變化A 傳統(tǒng)晶態(tài)合金 B 納米晶材料1 Bai XM, etc., Science, 327, 1631 (2010);2 Ackland G, Science, 327, 1587 (2010)一 鋯合金的輻照效應(yīng)v1. 單位體量材料積中位移原子數(shù)與原子總數(shù)之比定義為原子位移（dpa），通常以其值來衡的輻照損傷程度，在典型輕水堆電站中鋯合金包殼每一次循環(huán)下所受到的輻照損傷為20(dpa)

3、，約相當(dāng)于10-7dpa/s,可見很嚴(yán)重。v2. 要使鋯原子位移就必須向其提供足夠的能量，這一位移能量閾值Ed為2527ev.而對于1Mev的入射中子，鋯原子接受的反沖能量平均值為20kev，其最大值可達(dá)40kev，顯然都遠(yuǎn)高于鋯原子位移所需的能量，從而出現(xiàn)初級位移原子。v3. 在（23）1019n/cm2的注量后觀察到了空位環(huán)和空位間隙，這時產(chǎn)生的空位環(huán)主要是型1/3環(huán)，空位環(huán)和間隙環(huán)大體上均衡發(fā)展是鋯合金的特點(diǎn)，其比例取決于輻照溫度和注量，注量達(dá)到(38)1021n/cm2后還產(chǎn)生型1/6環(huán)，這只是空位環(huán)。與不銹鋼不同，中子輻照下鋯合金中未發(fā)現(xiàn)空洞的存在。鋯合金輻照生長鋯合金輻照力學(xué)行為的

4、變化中子輻照對鋯合金氧化性能的影響 中子輻照, 尤其是快中子輻照導(dǎo)致氧化膜和金屬基體內(nèi)產(chǎn)生大量原子移位, 形成大量缺陷, 包括點(diǎn)缺陷、位錯和空洞等。其中最簡單, 且濃度最大的是Frankel 缺陷對。這些缺陷勢必對氧離子的遷移產(chǎn)生影響。此外, 由于金屬鋯氧化后體積增大, 氧化膜處于壓應(yīng)力狀態(tài), 這將導(dǎo)致位錯密度的增加; 中子輻照下, 水將分解生成H2, H2在氧化膜內(nèi)聚集使氧化膜脆化; 中子輻照還導(dǎo)致金屬基體的脆化和蠕變, 直接改變氧化膜的應(yīng)力狀態(tài), 甚至使氧化膜開裂和脫落。提高鋯合金耐蝕性能的方法 Thorvaldsson用確定累積退火參數(shù)A 的最佳范圍來制定最佳熱處理工藝; Ogata提出

5、在ASTM 規(guī)定的合金元素成分范圍內(nèi)降低Sn 含量而提高其它合金元素含量可以提高抗均勻腐蝕和癤狀腐蝕的性能; 周邦新提出用最佳熱處理工藝提高鋯合金的耐蝕性; Sabo l開發(fā)了ZIRLO 合金, 大幅度提高了耐蝕性能。這一系列方法歸根到底是從改變包殼材料的合金元素分布以提高其耐蝕性能。為了提高包殼材料的耐蝕性能, 我們既可以進(jìn)行耐高溫腐蝕的新包殼材料的研制, 又可以對現(xiàn)有包殼材料進(jìn)行改進(jìn), 如選擇最佳熱處理工藝、最佳合金成分, 表面激光處理及表面預(yù)生膜等方法都是進(jìn)一步提高鋯合金耐蝕性能的可以嘗試的辦法。 對由兩廠分別生產(chǎn)的Zr-4包殼管樣品在重水堆內(nèi)進(jìn)行中子輻照試驗(yàn), 輻照溫度為610K, 快

6、中子注量為4.21020/cm2(E1.0MeV)。試驗(yàn)結(jié)果表明, Zr-4管的輻照生長應(yīng)變隨輻照中子注量增加呈線性增加。兩廠生產(chǎn)的Zr-4包殼管的生長應(yīng)變可用 表達(dá)式描述, 兩者的差異可能是合金元素和雜質(zhì)的綜合影響所致。Zr-4合金的中子輻照生長二鐵合金的粒子輻照效應(yīng)1 輻照對12Cr-ODS鋼氧化物穩(wěn)定性影響 利用氫離子（H+）束和電子（e-）束，雙束（H+/e-）同時輻照用化學(xué)浸潤法制備的新型12Cr-ODS鐵素體鋼，研究輻照對12Cr-ODS鋼氧化物穩(wěn)定性的影響。對不同輻照劑量下原位觀察輻照區(qū)內(nèi)氧化物形貌的變化過程發(fā)現(xiàn)：輻照前和15dpa輻照后約10-20nm氧化物的尺寸并沒有明顯變化

7、，而氧化物周圍出現(xiàn)微小高密度空洞并沒有影響氧化物的穩(wěn)定性。當(dāng)輻照溫度升高至823K時，大尺寸的氧化物Y2O3與基體的相界面變得不規(guī)則，但氧化物顆粒尺寸并不發(fā)生明顯變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：彌散強(qiáng)化相Y2O3尺寸穩(wěn)定，無明顯溶解現(xiàn)象。彌散強(qiáng)化相Y2O3與鐵素體相界面變得粗糙與氫的存在，促進(jìn)鐵素體內(nèi)空位向Y2O3氧化物擴(kuò)散有關(guān)。輻照前12Cr-ODS鋼組織形貌723K雙束輻照后氧化物形貌變化823K雙束輻照后氧化物形貌變化 2低活化鐵素體/ 馬氏體鋼離子輻照后的微觀結(jié)構(gòu)變化 采用100 keV 的氫離子在450 攝氏度對兩種成分的低活化鐵素體/ 馬氏體鋼進(jìn)行了輻照實(shí)驗(yàn); 同時為了對比研究低活化鐵素體/

8、馬氏體鋼中的合金元素在輻照過程中的行為, 將Fe-10Cr 合金以及純鐵一起進(jìn)行了離子輻照. 通過透射電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn), 當(dāng)輻照劑量為11017 H + / cm2 時, 在低活化鐵素體/ 馬氏體鋼中產(chǎn)生了一定數(shù)量的位錯缺陷, 另外, 發(fā)現(xiàn)有大量富含合金元素Cr 的點(diǎn)狀析出物產(chǎn)生.離子輻照前后實(shí)驗(yàn)材料的顯微組織3.450 高能電子輻照對CLAM 鋼微觀結(jié)構(gòu)的影響 為了研究低活化馬氏體CLAM 鋼的抗輻照腫脹性能,在450 下對CLAM 鋼進(jìn)行大劑量高能電子輻照的原位動態(tài)實(shí)驗(yàn). 利用超高壓透射電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn),CLAM 鋼中產(chǎn)生了大量的間隙原子型位錯環(huán)和多面體形狀的輻照空洞. 分析了它們的形

9、核和長大規(guī)律以及相關(guān)機(jī)制. 計算表明,CLAM 鋼在高能電子輻照下的最大腫脹率為0.26 % ,具有較好的抗輻照腫脹性能.CLAM 鋼在450 電子輻照時的微觀結(jié)構(gòu)變化. (a) 0 dpa ; (b) 3.6 dpa ; (c) 10 dpa ; (d) 11.5 dpa ; (e) 13.2 dpa ; (f) 13.8 dpaCLAM 鋼在450 電子輻照時輻照空洞的變化. (a) 0 dpa ; (b) 1.4 dpa ; (c) 3.6 dpa ; (d) 10 dpa ; (e) 11.5 dpa ; (f) 13.2 dpa ; (g) 13.8 dpa ;(h) 15.6 dp

10、a 從圖中可以看到,隨著輻照損傷量的增加,產(chǎn)生的空洞越來越多,并且尺寸也越來越大. 輻照損傷量達(dá)到1.4 dpa 時,開始觀察到空洞的存在,這時空洞的尺寸很小、數(shù)量有限;當(dāng)輻照損傷量達(dá)到3.6 dpa 時,空洞的尺寸明顯長大,數(shù)量也在增加; 在圖 c 中還可以看到有新的空洞產(chǎn)生;繼續(xù)增加輻照劑量,空洞的數(shù)量和直徑都繼續(xù)增加,當(dāng)輻照損傷量達(dá)到10 dpa 時,可以看到空洞的數(shù)量較多.5 生鐵經(jīng)離子輻照前后的效應(yīng) 其注氫前的TEM 照片中除了能看到少許的位錯線存在以外, 幾乎沒有看到別的缺陷存在, 經(jīng)過注氫以后在純鐵中產(chǎn)生了大量均勻分布的位錯環(huán)缺陷, 位錯環(huán)的尺寸約為5 50 nm, 位錯環(huán)的數(shù)密

11、度約為5.511021 / m3 . 與其他鋼材經(jīng)過注氫以后所觀察到的結(jié)果不同, 在純鐵中沒有出現(xiàn)上面提到的黑斑.生鐵在離子輻照前后的顯微組織: ( a) 離子輻照前; ( b) 離子輻照后不銹鋼的中子輻照問題 1.不銹鋼的輻照腫脹 在高通量中子輻照條件下，會引起不銹鋼的腫脹。下圖為Cr17Ni12Mo2鋼的腫脹效應(yīng)，腫脹顯著增加的快中子注入量臨界值約1022n/cm2。2.輻照后的力學(xué)性能 在中子注入量超過1022n/cm2之后，隨注入量增加，抗拉強(qiáng)度明顯上升，延伸率明顯下降。在高于540攝氏度的高溫拉伸性能，其強(qiáng)度不受中子注量的影響，但總延伸率隨注入增加明顯減少。不銹鋼的斷裂韌性隨輻照劑量

12、的增加明顯減少，在高溫輻照條件下，當(dāng)中子劑量大于10dpa后，其斷裂韌性趨于穩(wěn)定；低溫輻照的斷裂韌性隨著中子劑量增加也明顯下降。輻照對鋁性能的影響 中子輻照對純鋁和低合金鋁的影響較小，這是因?yàn)槿毕莸倪w移率甚至低到室溫時，任然很高。在反應(yīng)堆中鋁在可能應(yīng)用溫度范圍，從室溫到300攝氏度， 或者發(fā)生或接近發(fā)生再結(jié)晶。 同其他金屬一樣，在輻照時，鋁的強(qiáng)度提高，塑性稍許下降。退火狀態(tài)的鋁以1.51022n/m2注量在30攝氏度下經(jīng)輻照，其屈服極限提高2倍，強(qiáng)度極限提高70%，而相對延伸率比原來值減少67%。在同樣條件下，加工變形鋁輻照后，強(qiáng)度極限及屈服極限只提高了68倍，而延伸率完全沒有變化。 隨著注量

13、提高到41026n/m2，牌號1100技術(shù)純鋁不斷提高著強(qiáng)度極限和屈服極限，但相對延伸率仍然完全沒變化。甚至在高注量輻照下，也不會使鋁明顯脆化。加工變形鋁的特點(diǎn)是，輻照不但提高了強(qiáng)度性能，同時還保持了足夠高的塑性，所以鋁的性能輻照后可能比輻照前要好 金屬材料受中子轟擊后，產(chǎn)生許多缺陷及其衍生物，如Frenkel對缺陷。離位峰、位錯環(huán)、層錯、貧原子區(qū)、微空洞和嬗變元素等，所以會引起材料性能發(fā)生變化。原因是這些輻照缺陷與基體點(diǎn)陣排列不同，導(dǎo)致晶格產(chǎn)生畸變，阻礙位錯運(yùn)動，從而引起強(qiáng)度升高，隨之伴生塑、韌性下降和脆性增加。鋁合金輻照性能的變化趨勢也符合此規(guī)律，但誘發(fā)輻照效應(yīng)的原因與大多數(shù)結(jié)構(gòu)材料略有不同。通常認(rèn)為快中子輻照是引起結(jié)構(gòu)材料性能惡化的主要原因，對鋁合金卻是熱中子比快中子的影響大，如鋁合金在高注量輻照下，除了快中子產(chǎn)生輻照缺陷造成的硬化外，熱中子使Al 嬗變成Si被認(rèn)為起主要作用。輻照對拉伸性能的影響中子輻照鋁的微觀結(jié)構(gòu)變化 鋁的中子輻照實(shí)驗(yàn)是與硅的中子輻照同時進(jìn)行的