辐照诱导Zr基非晶合金的微观结构变化研究

发布时间：2020-03-29 08:47

【摘要】：开发新型能源是人类亟需解决的问题,发展核电是解决能源问题的重要途径。目前,反应堆内材料在恶劣的服役环境下各种性能失效是限制反应堆寿命的主要因素之一。非晶合金具有优异的物理、化学和力学性能,有望作为新型反应堆材料,其结构无序性导致其辐照效应不同于现役的晶态材料,但目前对辐照引起其微观结构和性能变化的研究尚不充分。本文主要结合同步辐射技术和分子动力学模拟手段,探索辐照诱导非晶合金微观结构的变化及评价其耐辐照性能,希望对反应堆材料的设计和选取提供一定帮助。利用同步辐射技术对制备态非晶合金样品和辐照后样品进行微观结构探测,利用实验数据结合RMC拟合得到制备态和辐照后的Zr_2Cu非晶合金模型。对两种模型结构参数进行初步分析,发现两种模型原子的基本结构存在细微差异。在此基础上,引入类空位、自由体积等参量和自由体积算法,通过对模型的计算发现,自由体积在辐照前后发生变化,且该变化存在一定的元素选择性。并结合分子动力学模拟技术修正RMC模型,在模型中人为创造类空位并进行结构弛豫,发现类空位湮灭的机制,即通过自由体积重分布实现。为进一步追踪非晶合金辐照过程中的结构演化,本文利用分子动力学模拟方法进行研究。采取玻璃转变温度T_g以下退火的方法建立Zr_2Cu非晶合金模型,引入一定能量的PKA模拟辐照引起的级联碰撞过程。研究发现,在非晶合金模型中,级联碰撞确实引发原子离位并产生了相应的类空位。类空位瞬态存在,迅速消失并转变为大尺寸自由体积。在模型的结构弛豫过程中,大尺寸自由体积又逐渐向小尺寸自由体积转变并最终均匀分布在模型中,从而实现能量和结构稳定。证实自由体积重分布湮灭辐照诱导的类空位,为非晶合金辐照后结构自修复的主要微观机制。
【图文】：

辐照诱导,变化机理,核材料,微观结构变化

Zr合金的辐照生长现役反应堆材料主要为晶态合金材料，晶态合金中存在空位、间隙原子和位错等各种缺陷，，

重离子,晶态,各种缺陷,中子

图 1. 2 晶体中的各种缺陷应堆中，晶态的材料主要与携带一定能量的中子、重离子一类的粒子发生作会与晶格原子发生碰撞，使晶格原子离开所处的位置，成为间隙原子，而在，如此成对出现的空位——间隙原子就是所谓的 Frenkel 缺陷[5]，Frenkel 缺生的最主要也是最基本的缺陷。如果离位原子能量足够大，还会产生次级效renkel 缺陷。粒子确实会于极短时间内在材料体内产生许多 Frenkel 缺陷，但绝大多数的级联碰撞或自由迁移过程中相互复合，即晶态合金的自修复过程。虽然晶态
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG139.8

【参考文献】