低活化钢和钨辐照损伤的透射电镜研究

发布时间：2020-03-29 07:52

【摘要】：低活化马氏体钢是未来商用核聚变堆的主要候选结构材料,钨是面向等离子体候选材料。在聚变堆环境下,低活化钢在遭受中子辐照的过程中会受到嬗变反应产生的氢、氦气体原子的作用,而钨则遭受氘氚等离子体和氦离子的辐照。本论文主要利用透射电子显微镜研究了氢、氦离子辐照下的低活化马氏体钢和钨的辐照损伤。1、系统研究了低活化马氏体钢在不同温度不同剂量下氦离子辐照产生的位错环。以往对低活化钢中氦离子辐照的研究都集中在辐照肿胀的方面,较少的人关注氦离子辐照对材料中位错环的影响。我们发现低活化钢在氦离子辐照下会产生大尺寸的位错环,比在相同剂量的其它辐照条件(如中子、质子和重离子辐照等)产生的位错环大很多。可能原因是：氦易与辐照过程中产生的空位形成He-V团簇,从而使间隙原子聚集长大形成尺寸大的位错环。发现辐照位错环的尺寸、数密度都会随着辐照温度和辐照剂量的变化而变化。我们还发现存在一个临界温度和临界剂量,在临界值附近,位错环类型会发生突变。2、在450℃下,我们通过改变离子注入顺序,也即进行氦离子单束、氢离子单束、He/H双束先后离子和H/He双束先后离子束辐照,研究了氢氦协同作用对低活化钢中位错环的影响。H/He双束先后离子束辐照产生的位错环的平均尺寸和数密度比相同辐照剂量的单束(He或H)离子辐照下的更大,而He/双束先后辐照条件下产生的位错环的尺寸最大。这表明氢和氦在协同效应中各自所发挥的作用是不同的。He原子更容易与空位形成He-V团簇,进而捕获H形成He-H-V复合体。通过不断地吸收H原子和打离间隙原子,大的He-H-V复合体得以形成,在自身附近捕获SIAs,并且作为I-loops的形核点。结果,SIAs或I-loops可以通过吸收更多间隙原子而变得更大。3、系统研究了钨在不同温度以及不同剂量的氦离子辐照下氦泡的形核和长大过程。我们发现低温会抑制氦泡的成核,当辐照温度350℃时,未发现氦泡的形成。500℃辐照时,氦泡通过“冲出位错”机制形核长大。高温氦离子辐照时,氦泡的平均尺寸会随着氦离子的辐照温度的增加而增大,而数密度会迅速的下降。在800℃时,钨中氦泡的平均尺寸会随着辐照剂量的增加而不断增大,而数密度会先减小后增加。可能是因为钨中新注入的氦原子会被添加到原来已经形成的氦泡里面从而使得氦泡长大,同时还会使氦泡内部压强增大。4、系统研究了不同温度和不同剂量的氢离子辐照下钨中氢泡的形成和长大过程。我们发现钨在室温下氢离子辐照后会产生位错环,但是当辐照温度升到350℃时,少量氢泡出现而位错环消失。高温氢离子辐照时,氢泡的平均尺寸会随着氢离子的辐照温度的增加而迅速增大,而数密度会先增加后减少。当500℃辐照时,氢泡通过“冲出位错”机制长大。当800℃辐照时,氢泡会变得不稳定或者移向表面消失使得气泡的数密度会显著的下降。在600℃不同剂量的辐照研究中,我们发现随着辐照剂量的增加,氢泡的平均尺寸会先迅速增加后缓慢增加,而数密度会先变化很小后迅速增加。这是因为随着辐照剂量的增加小的H-V团簇有机会聚集长大,从而使得气泡的数密度基本上保持不变。直到辐照剂量增至2.25×1021/m2,气泡的数密度增加而尺寸不变大,可能是因为当气泡尺寸增加的时候气泡内压降低,使得它们停止长大。5、通过改变氢、氦离子辐照顺序、辐照温度等因素,研究了氢氦之间协同作用对钨中辐照肿胀的影响。我们发现与单束(氦离子或氢离子)辐照相比,双束He/H先后辐照产生的气泡的数密度会明显增多。在500℃和800℃下双束He/H先后离子束辐照产生的气泡的平均尺寸比单束氦离子或氢离子辐照产生的气泡的平均尺寸都小,而在600℃下,双束He/H先后离子束辐照产生的气泡的平均尺寸比单束氦离子的平均尺寸略大。
【图文】：

示意图,核裂变,核聚变反应,氢弹

核反应包括核裂变和核聚变。核裂变是指重元素（如铀、钚等）中的某些核素（如逡逑２３３Ｕ、２３５Ｕ和２３９Ｐｕ、２４ｉｐｕ等）在中子的轰击下会发生原子核分裂，放出巨大的逡逑能量的过程，此过程释放的能量称之为裂变能，如图１．１（ａ）。反之，核聚变是指逡逑轻元素（如１Ｈ和２Ｄ或３Ｔ等）的不同核素或异种轻元素（氢和氦等）的不同核逡逑素之间发生聚合反应并放出大量能量的过程。此过程释放的能量称之为聚变能，，逡逑如图邋１．１（ｂ）。逡逑Ｉ逡逑０邋＾（９逡逑：邋八逦／邋ｄｉ逡逑－ＫｒＣｌ逡逑ｙ邋｜＼逦Ｑ邋Ｍｅ邋＋邋３．５邋ＭｅＶ逡逑（？）邋ｎ邋＋邋１邋“邋Ｍ邋？逡逑图１．１典型的（ａ）核裂变和（ｂ）核聚变反应示意图逡逑从上世纪５０年代第一颗氢弹引爆的时候，科学家就意识到了核聚变的力量，逡逑产生聚变能的科学可行性已在磁约束聚变装置托卡马克Ｔｏｋａｍａｋ邋（图１．２）上得逡逑到了证实。为了实现聚变能的应用，多个国家参与和实施的国际热核聚变实验堆逡逑计划，简称ＩＴＥＲ计划，投资超过１００亿人民币，目标是建造一个利用磁约束实逡逑．逦现核聚变的托卡马克装置从而实现聚变能的使用［１１］。图１．３是我国核聚变示范逡逑堆发展时间表［１２］。长期以来，我国在不断发展核聚变。２０１２年东方超环（ＥＡＳＴ）逡逑实验成功。中国聚变工程实验堆（ＣＦＥＴＲ）预计在２０２０年开始建造，２０２６年开始逡逑放电。聚变能是一种理想核能，使用时不会像裂变反应过程中一样产生强放射性逡逑废物等污染环境；其原料取自于海水

核能,设计选材,时间表,反应堆

如果这种理想核能得到有效利用还存在非常多的技术难题，聚变反应堆中材料的逡逑选择就是其中最大的问题之一，尤其是第一壁结构材料和面向等离子体材料。逡逑＿逡逑图１．２托卡马克Ｔｏｋａｍａｋ装置逡逑商州聚变堆，ＣＴＲ逡逑■邋ｔｒ邋＂＂“逡逑ＤＥＭＯ聚变堆逡逑１１逡逑丨：z实验聚变堆，ＥＴＲ逡逑■邋ｔｒ邋ｔ逡逑ＩＴＥＲ邋（燃烧等离、｛本）｜邋Ｉ邋ＩＦＭ１Ｆ邋Ｉ逡逑逦逦逡逑ＨＬ－２Ａ邋ＥＡＳＴ逡逑Ｊ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｉ逦Ｌ＿＾逡逑２０００逦２０１３邋２０２５邋２０３５邋２０５０逡逑图１．３中国核聚变示范堆发展时间表［１２］逡逑从反应堆设计选材方面考虑，核能具有能量密集，福射强度大以及运行环境逡逑严苟等特点［１３］：逡逑首先核能具有能量密集的特点。核裂变和核聚变反应都能产生巨大的能量，逡逑而聚变反应产生的能量还会高出裂变堆中同等质量铀的３倍。因而可以发现，裂逡逑变堆和未来聚变堆的堆芯都是能量密集的反应炉。这些都意味着堆芯的功率密度逡逑很高，燃料和堆芯材料都处于很高的工作温度中。逡逑３逡逑
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TL341

【参考文献】