低活化钢中子辐照后氦泡硬化机理的分子动力学研究

发布时间：2020-08-18 16:59

【摘要】：作为未来聚变反应堆的主要候选结构材料之一的低活化铁素体/马氏体钢受到高能中子辐照后发生(n,a)反应引入大量的氦原子。结构钢中的氦原子很容易聚集而形成纳米尺度的氦泡。氦泡会阻碍位错滑移,严重影响结构钢的力学性能。由于通过实验手段研究辐照过程中氦泡与位错相互作用的微观过程十分困难,因此,采用原子尺度的模拟方法研究α-Fe中刃位错与氦泡的微观作用机制很有必要。本论文基于周期性位错阵列模型,利用分子动力学方法研究了低活化钢中子辐照后氦泡导致硬化的微观机理,重点研究了辐照温度和常温下氦空位比例对位错与氦泡作用机制影响的差异性。辐照高温下位错与氦泡作用时,当氦空位比例在0到1之间变化时,氦空位比例对临界剪切应力影响较弱,有先增大后减小的趋势,He/V = 0.5的氦泡钉扎位错能力最强;随着氦空位比例进一步升高,在一定的氦空位比例范围内,氦泡中氦原子的数量对位错的攀移难易程度有很大的影响,氦泡内氦原子数量的增加可以促进位错的攀移,临界剪切应力随之减小;当氦空位比例增大到最大值时,氦泡与位错作用机制改变出现排斥机制,引起临界剪切应力上升。常温时位错与氦泡作用时,临界剪切应力随氦空位比例的变化关系在氦空位比例较低时与辐照温度下的变化规律一致,但在氦空位比例接近踢出位错环的浓度时,1nm氦泡和2 nm氦泡同样出现了排斥机制,可能由于氦泡冷冻常温的影响,临界剪切应力的变化规律不一致,原因还有待进一步研究。位错与氦泡的排斥机制是指当氦泡的氦空位比例接近氦泡踢出位错环的氦浓度,氦泡严重超压,与位错接触瞬间,沿位错拉伸侧踢出自间隙原子团簇,被位错吸收后产生割阶;由于位错割阶与超压氦泡同为压应力场,割阶被氦泡强烈排斥反弹。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TL627
【图文】：

实验主体,实验堆,热核聚变,运行功率

极可能一劳永逸地解决能源问题［１］。目前，可控核聚变的实现途径主要有三种：逡逑磁约束、惯性约束和重力约束。国际热核聚变实验堆（ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＴｈｅｒｍｏｎｕｃｌｅａｒ逡逑Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ邋Ｒｅａｃｔｏｒ，邋ＩＴＥＲ）即采用磁约束．其实验主体结构装置如图１．１所不。逡逑通过建造反应堆级核聚变装置，ＩＴＥＲ被预期完成从实验研究等离子体物理到核逡逑聚变发电厂的工程实现［２］。逡逑逦．逡逑＂邋：邋？＇逦．ｉ＇ｆ－．邋：，邋Ｊ；逡逑图１．丨ＩＴＥＲ实验主体结构装置示意图ＰＩ逡逑自从中国于２００３年２月加入ＩＴＥＲ计划后，国内开始开展中国聚变工程实逡逑验堆（ＣｈｉｎａＦｕｓｉｏｎ邋Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ邋Ｔｅｓｔ邋Ｒｅａｃｔｏｒ，ＣＦＥＴＲ）的概念设计丨３］。如图邋１．２邋为逡逑ＣＦＥＴＲ工程试验堆主体装置结构示意图。相比ＩＴＥＲ的设计运行功率５００ＭＷ，逡逑ＣＦＥＴＲ的目标是建立一个５０－２００ＭＷ的较低运行功率下实现氚自持的聚变堆。逡逑２０１７年丨２月５日，中国聚变工程实验堆在中国合肥正式启动工程设计，中国核逡逑聚变研宄由此开启新征程。不论是国际热核聚变实验堆或是中国工程聚变实验堆逡逑目前都存在许多亟需解决的问题。材料问题更是目前面临的诸多挑战的核心之一：逡逑材料的辐照后力学性能是核聚变反应堆的能否安全运行的关键｜４］

聚变堆,服役环境,工程试验,强中

快中子辐照,拉伸性质,铁素体钢

是流动应力）被提高金属在受到快中子照射之后，其力学性能会发生改变，逡逑表现为屈服强度的升高。针对铁素体钢的辐照硬化表现，其受到快中子辐照后，逡逑下屈服点将会升高。铁素体钢的典型工程应力曲线如图１．３所示。辐照使屈服强逡逑度的提高远大于它使拉伸极限的提高。由于辐照使屈服强度趋近于ＵＴＳ，这就造逡逑成塑性的损失。如图１．３上部的一条曲线就表示屈服强度和拉伸极限重合的例子。逡逑这种情况一发生，就没有均匀伸长，当样品一离开表示弹性应变的曲线后，颈缩逡逑便立即发生。对ＢＣＣ金属，当试验温度足够低，辐照剂量足够大时，甚至连颈逡逑缩变形的区域也会没有；样品还处于弹性阶段的直线上时就会断裂。这样的样品逡逑就完全是脆性的了。逡逑Ａ邋ＳＳＳ逡逑Ｋ邋＾＼）未鼷逡逑ｉｍｔ逡逑图１．３快中子辐照对铁素体钢拉伸性质的影响［１１］逡逑位错是塑性变形和金属强化的理论基础，成功地解释了辐照效应和力学性能逡逑的许多现象，如辐照硬化、辐照肿胀等形成机制［ｎ］。从微观上解释辐照硬化，即逡逑从位错角度来看辐照硬化对材料的力学性能的影响，辐照硬化是由于辐照产生的逡逑缺陷使得位错的滑移和增殖受到阻碍。辐照使得金属硬化的方式主要有两种：逡逑１）

【参考文献】