辐照环境下铀基金属燃料微观结构演化行为研究
发布时间：2020-05-18 20:22
【摘要】：在经受辐照的材料中会有大量的缺陷形成并保留下来,不同类型的缺陷之间发生错综复杂的交互作用,最终会造成材料微观结构和宏观性能的变化。晶界是一种高效的点缺陷吸收阱,晶界-点缺陷交互作用与材料辐照肿胀的动力学密切相关,而且晶界对于提升材料的耐辐照性能作用显著,但是目前对于晶界-点缺陷交互作用问题的认识还需要进一步深入。本论文将围绕金属型核燃料的辐照效应问题,采用实验和理论模拟的方法,研究辐照环境下材料的微观结构演化以及界面-点缺陷的交互作用。在实验研究方面,开展了高能Xe离子辐照U-10wt%Zr合金的研究工作,表征了 U-10wt%Zr合金经Xe离子辐照后的微观形貌,研究了其组织结构的变化,对辐照导致的U-10wt%Zr合金特征微观结构演化行为进行了初步的解释。UMo_2Al_(20)是U-Mo合金与A1合金基体复合界面处容易产生的典型二元金属间化合物,其在辐照下易转变为非晶,从而影响U-Mo金属型燃料的应用。在理论模拟方面,通过局域原子结构分析结合第一原理计算对UMo_2Al_(20)转变为非晶的行为进行了认识,并获得了UT_2Al_(20)(T=Mo,Nb,Zr,Ti)系金属间化合物的一些基本性质,可用于输入到更高尺度的模拟计算中。辐照环境下材料的微观结构演化涉及到很大的时间和空间尺度的跨越,原子尺度的计算在大时间和空间尺度问题的研究中受限,因此本文还着重采用扩散界面的相场方法开展研究,首先通过对调幅分解等问题进行模拟深化了对相场模型的理解并验证了模型的正确性,然后针对晶界-点缺陷交互作用问题构建了晶界模型,耦合了晶界位错的攀移过程,从晶界结构、晶界-点缺陷反应动力学、晶粒尺寸、晶界-点缺陷弹性交互作用等多个方面对晶界吸收点缺陷的行为进行了系统研究。晶界空洞贫乏区宽度是表征晶界吸收点缺陷能力的另一个重要指标,本文通过在同一框架下研究点缺陷吸收强度及贫乏区宽度的影响因素,初步建立二者之间的关联。通过本论文研究工作的开展,加深了对辐照环境下金属型核燃料微观结构演化行为的认识,促进了对晶界-点缺陷交互作用这一物理过程和影响因素的理解,获得了如下一些结果:1.经能量为5MeV的Xe离子辐照的U-10wt%Zr合金内部会形成数纳米至数十纳米尺寸不等的气泡,气泡密度沿深度方向的分布与SRIM(The Stopping and Range of Ions in Matter)软件计算的结果相符合,最密集的气泡区域距离样品表面约650nm。气泡主要呈多边形,这与气泡-金属基体界面能的各向异性相关。大尺寸气泡主要在晶界处出现,这主要是由于晶界的结构特性带来的弹性吸引所导致的。2.U-Mo与A1合金的界面反应产物UMo_2Al_(20)在空间上是由[U-Al_(16)]和[Mo-Al_(12)]两种主团簇排布构成。[Mo-Al_(12)]的二十面体结构可能是该化合物容易形成非晶的原因。另外,通过第一原理计算获得了UT_2Al_(20)(T=Mo,Nb,Zr,Ti)系化合物的电子结构和一些力学性能数据,这些结果将来可以更大尺度的计算进行耦合,比如作为介观尺度计算的基本热力学和动力学参数输入等。3.分析了小角晶界的几何构型,采用相场位错模型模拟获得了结构稳定的小角对称倾斜晶界,与理论预测结果吻合良好。在此基础上,通过耦合位错攀移过程,研究了晶界对点缺陷的吸收行为,考虑了晶界结构特征、短程反应动力学以及长程弹性交互作用对晶界吸收点缺陷行为的影响。通过与平面吸收模型和理想吸收模型进行比较,认识了三种模型在研究点缺陷吸收行为方面的异同,揭示了晶界演化在研究晶界-点缺陷交互作用问题中的重要性。4.研究了晶粒尺寸和点缺陷产生率对晶界的点缺陷吸收强度和贫乏区宽度的影响,结果表明,晶界的点缺陷吸收强度随着晶粒尺寸的减小(增大)而增大(减小),不受点缺陷产生率的影响:而晶界空洞贫乏区宽度随点缺陷产生率的增加(减小)而变窄(变宽),不受晶粒尺寸变化的影响。点缺陷吸收强度与贫乏区宽度均随着晶界角度的增加而增大,并且在计算范围内这二者随着晶界角度的增加呈现出一种同比例增加的现象。
【图文】：
以满足气体状态方程。这个模型一方面可以研究气体原子以及空位与位错和晶界之间的逡逑弹性交互作用对气泡形核和生长的影响，另一方面也可以认识气体原子和空位的热力学逡逑和动力学性质对气泡演化的影响。图１．２给出了采用此模型获得的气泡形核生长过程典逡逑型特征的模拟结果。逡逑■■W 逡逑ｍｍｍ逡逑图１．２多晶中气泡的形核和生长［７６］逡逑９逡逑
运动的障碍，会导致材料的硬化。逡逑研究人员开发了描述辐照材料时效和辐照过程中间隙子环生长动力学的相场模型，逡逑模型考虑了间隙子环和基体两相。图１．３描述了间隙子环的演化过程，在间隙子逡逑环生长的过程中，厚度不发生变化，模型通过采用各向异性的界面能正确的描述了圆盘逡逑状间隙子环的形态。缺陷浓度、缺陷产生／湮灭、吸收阱的强度以及弹性交互作用对间隙逡逑子环生长动力学的影响均可通过模型进行研宄，间隙子环和单个间隙子之间的弹性交逡逑互作用会加速间隙子环的生长［８６￣｜（）４］。逡逑ｌ＊＝７６逦ｔ＊＝６Ｓ４逡逑ｔ＊＝Ｉ３６Ｓ逦ｔ＊＝２０５２逡逑图１．３间隙子型位错环长大逡逑v嶂诩ぃ蚍冢匡捌浜辖鹗呛朔从Χ阎兄匾慕峁共牧希哂辛己玫牧ρ灾省⒛湾义细葱院偷偷闹凶游战孛妫秋郧馊淳哂泻芮康那缀托裕岽臃刍肪持形藉义锨猓鼻獾呐ǘ却锏揭欢ㄋ街螅嵩陲捌浜辖鹬行纬纱嘈缘娘饣锟帕！Ｋ孀佩义峡帕Ｎ锏纳ぃ牧夏诓炕嵝纬梢桓龇蔷鹊挠αΤ。酉吕椿岬贾挛⒘盐频男魏撕屠╁义险梗佣现赜跋觳牧系牧ρ阅堋Ｏ喑》椒ㄍü悸堑院退苄员湫危直鸨挥糜谘绣义暇吭谟形奕毕荽嬖诘奶跫
本文编号：2670264
【图文】：
以满足气体状态方程。这个模型一方面可以研究气体原子以及空位与位错和晶界之间的逡逑弹性交互作用对气泡形核和生长的影响，另一方面也可以认识气体原子和空位的热力学逡逑和动力学性质对气泡演化的影响。图１．２给出了采用此模型获得的气泡形核生长过程典逡逑型特征的模拟结果。逡逑■■W 逡逑ｍｍｍ逡逑图１．２多晶中气泡的形核和生长［７６］逡逑９逡逑
运动的障碍，会导致材料的硬化。逡逑研究人员开发了描述辐照材料时效和辐照过程中间隙子环生长动力学的相场模型，逡逑模型考虑了间隙子环和基体两相。图１．３描述了间隙子环的演化过程，在间隙子逡逑环生长的过程中，厚度不发生变化，模型通过采用各向异性的界面能正确的描述了圆盘逡逑状间隙子环的形态。缺陷浓度、缺陷产生／湮灭、吸收阱的强度以及弹性交互作用对间隙逡逑子环生长动力学的影响均可通过模型进行研宄，间隙子环和单个间隙子之间的弹性交逡逑互作用会加速间隙子环的生长［８６￣｜（）４］。逡逑ｌ＊＝７６逦ｔ＊＝６Ｓ４逡逑ｔ＊＝Ｉ３６Ｓ逦ｔ＊＝２０５２逡逑图１．３间隙子型位错环长大逡逑v嶂诩ぃ蚍冢匡捌浜辖鹗呛朔从Χ阎兄匾慕峁共牧希哂辛己玫牧ρ灾省⒛湾义细葱院偷偷闹凶游战孛妫秋郧馊淳哂泻芮康那缀托裕岽臃刍肪持形藉义锨猓鼻獾呐ǘ却锏揭欢ㄋ街螅嵩陲捌浜辖鹬行纬纱嘈缘娘饣锟帕！Ｋ孀佩义峡帕Ｎ锏纳ぃ牧夏诓炕嵝纬梢桓龇蔷鹊挠αΤ。酉吕椿岬贾挛⒘盐频男魏撕屠╁义险梗佣现赜跋觳牧系牧ρ阅堋Ｏ喑》椒ㄍü悸堑院退苄员湫危直鸨挥糜谘绣义暇吭谟形奕毕荽嬖诘奶跫
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