430℃下2.98dpa中子辐照后CLAM钢的拉伸和冲击性能

利用高通量工程试验堆HFETR开展了CLAM钢430℃下2.98dpa的中子辐照实验,通过辐照前后拉伸和冲击性能测试与对比分析,研究了CLAM钢的中子辐照硬化和脆化效应。结果显示,CLAM钢辐照后室温测试的抗拉强度和屈服强度分别为710 MPa和615 MPa,较辐照前分别下降16 MPa和-0.5MPa,总延伸率减小1%,断面收缩率下降4%,保持良好的强度、塑性和韧性。冲击测试表明,CLAM钢辐照前后韧脆转变温度基本相同,上平台能量无明显变化,约为217J,未出现明显辐照脆化。CLAM钢的抗辐照性能略优于其他低活化铁素体/马氏体RAFM钢在类似辐照条件下的性能。     

中国抗中子辐照钢的抗辐照设计与验证

聚变堆等未来先进核能系统要求材料在强流高能中子辐照下长期保持良好的结构稳定性和机械性能。为适应未来先进核能技术发展的需要,中国科学院核能安全技术研究所·凤麟团队牵头研发了具有我国自主知识产权的中国抗中子辐照钢——CLAM钢。CLAM钢的设计考虑了未来核能清洁性的要求,以及苛刻服役环境中材料抗辐照、耐高温、耐腐蚀等性能要求。通过中子学计算分析设计了低活化成分范围,基于选择性纳米相析出进行了抗辐照、耐高温性能优化设计。针对材料的抗辐照性能,利用国内外中子、离子、电子及等离子体辐照设施开展了系列辐照考验研究,通过多角度表征辐照前后材料的微观结构和宏观性能,综合评估了材料的辐照性能,并与国际上同类材料在相近或相同条件下的辐照性能进行了对比分析,结果表明CLAM钢具有良好的抗辐照性能。     

硅对低活化马氏体钢电子辐照行为的影响

利用超高压透射电子显微镜研究了两种成分的低活化马氏体钢(CLAM钢)的辐照损伤行为。结果表明：电子辐照能在未添加硅的CLAM钢中产生辐照空洞;在450℃下辐照至14dpa时,空洞数密度约为8.7×10²¹m^－3,辐照肿胀率约为0.26％;在450℃下的辐照肿胀率明显比500℃下的高;当损伤率为2×10^－3dpa/s时,添加合金元素硅能显著提高CLAM钢的抗辐照肿胀能力,未在添加硅的CLAM钢中实验观察到辐照空洞的形成。在450℃下进行辐照时,添加硅的CLAM钢出现明显的辐照共格析出现象。     

中国抗中子辐照钢的抗辐照设计与验证

聚变堆等未来先进核能系统要求材料在强流高能中子辐照下长期保持良好的结构稳定性和机械性能。为适应未来先进核能技术发展的需要，中国科学院核能安全技术研究所•凤麟团队牵头研发了具有我国自主知识产权的中国抗中子辐照钢--CLAM钢。CLAM钢的设计考虑了未来核能清洁性的要求，以及苛刻服役环境中材料抗辐照、耐高温、耐腐蚀等性能要求。通过中子学计算分析设计了低活化成分范围，基于选择性纳米相析出进行了抗辐照、耐高温性能优化设计。针对材料的抗辐照性能，利用国内外中子、离子、电子及等离子体辐照设施开展了系列辐照考验研究，通过多角度表征辐照前后材料的微观结构和宏观性能，综合评估了材料的辐照性能，并与国际上同类材料在相近或相同条件下的辐照性能进行了对比分析，结果表明CLAM钢具有良好的抗辐照性能。     

软化热处理与预变形对CLAM钢塑性的影响分析

CLAM钢是中国ITER液态测试包层模块的首选结构材料,其塑性是影响测试包层冷却流道加工制造的关键因素之一。本文对CLAM钢进行退火软化热处理,测试其拉伸性能,并研究经过5%、10%和15%预变形,均分别在600℃、700℃和800℃回火30 min后,CLAM钢塑性的回复情况,以获得预变形量和回火工艺与CLAM钢塑性之间的关系,为制备包层模块及其冷却流道提供材料技术支持。研究表明:退火态CLAM钢塑性较正常热处理态CLAM钢有较大提高,在预变形和回火过程中,其塑性随预变形量的增大而下降,随回火温度的上升而提高。     

ODS-Eurofer钢微观结构及辐照硬化研究

研究了ODS-Eurofer钢的微观结构及辐照硬化现象。首先用透射电子显微镜(TEM)观察了ODS-Eurofer钢的初始微观组织结构,发现基体中不仅存在几nm至几十nm的氧化物弥散颗粒,还存在具有壳-核结构的大尺寸(直径大于100 nm)颗粒,并观察到纳米颗粒对位错线的钉扎作用。随后用能量为5 MeV的Fe~(2+)离子在300℃和500℃下辐照样品至25 dpa以模拟中子辐照,并用纳米压痕仪和TEM测试表征了辐照所致力学性能和微观结构的变化。结果表明,两种温度下辐照均引起硬度上升,500℃时由于辐照产生的点缺陷发生复合,导致硬化效应弱于300℃。用TEM观测辐照水平为25 dpa的损伤层发现有少量纳米尺寸位错环,这些位错环是辐照硬化的主要原因。ODS-Eurofer钢初始微观结构对辐照硬化有重要影响,其中晶界、纳米颗粒与基体界面、位错线等能捕获辐照过程中产生的点缺陷,从而抑制辐照位错环的生长。     

ODS-Eurofer钢微观结构及辐照硬化研究

研究了ODS-Eurofer钢的微观结构及辐照硬化现象。首先用透射电子显微镜(TEM)观察了ODS-Eurofer钢的初始微观组织结构，发现基体中不仅存在几nm至几十nm的氧化物弥散颗粒，还存在具有壳 核结构的大尺寸(直径大于100 nm)颗粒，并观察到纳米颗粒对位错线的钉扎作用。随后用能量为5 MeV的Fe²⁺离子在300 ℃和500 ℃下辐照样品至25 dpa以模拟中子辐照，并用纳米压痕仪和TEM测试表征了辐照所致力学性能和微观结构的变化。结果表明，两种温度下辐照均引起硬度上升，500 ℃时由于辐照产生的点缺陷发生复合，导致硬化效应弱于300 ℃。用TEM观测辐照水平为25 dpa的损伤层发现有少量纳米尺寸位错环，这些位错环是辐照硬化的主要原因。ODS-Eurofer钢初始微观结构对辐照硬化有重要影响，其中晶界、纳米颗粒与基体界面、位错线等能捕获辐照过程中产生的点缺陷，从而抑制辐照位错环的生长。     

中国低活化马氏体钢在电子辐照下产生位错环的原位观察

高流强的中子辐照在结构材料内部产生严重的级联离位损伤,使得材料性能下降,而辐照缺陷是聚变堆材料性能下降的根本原因.为了研究结构材料在高辐照剂量下的损伤机理,针对中国低活化马氏体钢(CLAM钢),通过使用高能电子辐照来模拟中子对材料造成的高剂量辐照损伤,并对微观结构进行原位观察.进行了辐照下产生的位错环随辐照剂量的演化过程的观察,并分析了位错环浓度和尺寸随辐照剂量和温度的变化规律.     

慢正电子束研究质子辐照CLAM钢产生的缺陷及其退火行为

为了研究中国低活化马氏体CLAM钢的辐照损伤机理,本文利用慢正电子技术研究了质子辐照CLAM钢时所产生的缺陷及其退火回复行为,发现辐照在材料中产生空位团数密度随质子注量增加而增多,而其尺度增大并不明显.辐照仅产生原子尺度的空位和空位团,400℃退火可以使缺陷很好地消除.此外分析了硅对CLAM钢辐照性能的影响,实验上没有观察到硅的添加抑制了质子辐照缺陷的产生.     

硅对9Cr-1.5WVTa低活化马氏体钢力学性能的影响

基于中国正在研究的聚变堆用9Cr-1.5WVTa低活化马氏体钢(CLAM钢),研究了添加合金元素硅对CLAM钢力学性能的影响。结果表明,添加0.2%Si使得CLAM钢的抗拉强度和屈服强度明显提高,钢的塑性和冲击韧性同时也得到一定提高,其中,韧脆转变温度(DBTT)由-13℃降至-30℃。未添加和添加0.29%Si的CLAM钢均为全马氏体组织,无δ铁素体存在。硅的添加使得9Cr-1.5WVTaSi钢的晶粒细化,从而提高了钢的拉伸和冲击性能。     

中国低活化马氏体钢CLAM在液态锂铅中腐蚀的初步实验研究

液态金属锂铅包层是最具发展潜力的聚变堆包层之一,其首选结构材料为低活化铁素体/马氏体钢,而它与液态锂铅的相容性是聚变堆材料研究领域的关键问题之一.本文介绍中国低活化马氏体钢CLAM在液态金属锂铅回路DRAGON-1热对流工况下的实验情况及500 h 480 ℃下初步腐蚀实验结果,并与同样工况下316L奥氏体钢腐蚀结果进行了对比分析.结果显示CLAM钢与液态锂铅的相容性优于316L钢.     

中国液态锂铅包层材料研究进展

液态锂铅包层是国际上普遍关注和最有发展潜力的聚变堆包层概念设计之一,而包层材料是液态锂铅包层的核心问题之一.目前,液态锂铅包层普遍选用低活化铁素体/马氏体钢(RAFM钢)作为结构材料,液态锂铅作为中子倍增剂及氚增殖剂.另外,部分设计采用了耐高温、电绝缘流道插件作为功能材料,以降低磁流体动力学效应及提高冷却剂出口温度(高于700℃).为适应液态包层的发展需求,中国科学院等离子体物理研究所FDS团队联合国内外相关研究单位,进行了具有中国自主知识产权的中国低活化马氏体钢(CLAM钢)及液态锂铅包层功能材料研发,并开展了锂铅热对流及强迫对流回路的设计、研制及腐蚀实验研究,以研究液态金属锂铅的流动特性及其与结构和功能材料的相容性.同时建立了聚变堆材料数据库平台,为促进中国聚变堆液态包层及材料技术的研究和发展提供数据支持.     

中国低活化马氏体钢CLAM研究进展

低活化铁素体/马氏体钢(RAFM钢)被普遍认为是未来聚变示范堆和聚变动力堆的首选结构材料。国际上给予了高度重视,许多国家都在研发其特有的RAFM钢。中科院等离子体物理研究所在与国内外多家单位的合作下发展了中国低活化马氏体钢———CLAM。本文总结了CLAM钢研制发展的主要进展,包括其成分优化设计、冶炼加工制备工艺、物理性能、机械性能、辐照性能及与液态LiPb的相容性等测试与研究以及各种焊接工艺研究等,并对今后的发展方向进行了展望。     

中子辐照对15MnTi钢力学性能影响

通过冲击试验、单向拉伸试验研究了中子辐照对15MnTi钢拉伸、冲击性能影响。中子辐照温度50℃、累计快中子注量1.5066×10~(18)cm~(-2),获得15MnTi钢母材、热影响区辐照前后冲击功及15MnTi钢室温、300℃下辐照前后拉伸曲线。试验结果表明,中子辐照导致15MnTi钢母材、热影响区韧脆转变温度上升,其中母材增幅较热影响区大,但冲击功上平台变化不大;15MnTi钢母材屈服强度、拉伸强度上升,其中室温屈服强度变化大,高温拉伸性能变化不明显。     

基于物理的轻水堆压力容器钢辐照脆化预测模型

正轻水反应堆(LWR)的压力容器(RPV)钢在长期正常服役条件下会发生材料性能降级(主要指发生材料脆化),其主要原因在于中子辐照促进或导致的一些微观结构变化,如富Cu沉淀或团簇(CRP)、基体损伤(MD)以及溶质原子(如P原子)在晶界偏析。基于物理机制构建RPV钢辐照脆化预测模型对于高剂量中子辐照下的预测可靠性大有裨益。本项研究从国内RPV钢辐照脆化数据(包括试验堆加速辐照实验数据)出发,在前人研究基础上,构建了含有CRP和MD贡献的物理型RPV     

国产A508-3钢辐照前后小样品断裂韧性测试分析

国产A508-3钢是反应堆压力容器(RPV)用钢,属于低合金铁素体钢,这类材料具有明显的韧脆转变行为,并且在经受中子辐照后,产生明显的辐照脆化效应,降低材料韧性,增加脆性断裂的风险。为掌握中子辐照对压力容器钢断裂韧性的影响,本文研究并掌握了国产A508-3钢0.5CT样品断裂韧性测试技术,并对辐照前后断裂韧性数进行比较,分析了中子辐照对A508-3钢断裂韧性的影响。     

注氘低活化马氏体钢在电子辐照下的缺陷行为

低活化铁素体/马氏体(RAFM)钢被视为国际热核聚变反应堆以及聚变反应堆的第1壁候选结构材料之一,很多国家均在研究不同的RAFM钢,中国低活化马氏体(CLAM)钢的研究亦正在进行。核聚变会产生氢、氦、氘及氚,这些气体元素与辐照缺陷结合在一起,对材料的辐照性能会产生较大影响。本文对注氘后不同温度下的辐照后微观结构进行研究。试验利用日本北海道大学的JEOL-1300高压电子显微镜研究注氘CLAM钢从室温到873K在1250keV电子辐照下的微观结构变化。研究结果表明,在电子辐照下,注氘产生的缺陷团会出现消失和长大两种现象,意味着间隙型与空位型位错环在注氘过程中同时产生。并研究了注氘产生的空洞。     

改进型A508CL3钢的中子辐照脆化性能研究

在高通量工程试验堆对国产反应堆压力容器用Ａ５０８ＣＬ３钢进行了中子辐照脆化性能试验，并利用示波冲击分析了辐照前试样的动态断裂过程。研究结果表明：改进型Ａ５０８ＣＬ３钢锻件具有良好的抗中子辐照脆化性能，ＲＰＶ钢可以立足限国内生产。     

超临界水冷固态实验包层中子学与热工水力特性研究

基于国际热核聚变实验堆(ITER)实验包层方案,提出了一个超临界水冷固态实验包层概念设计方案。设计采用Be作为中子倍增剂,Li4SiO4作为氚增殖剂,CLAM钢作为结构材料。包层第一壁采用多层盘道设计以提高第一壁出口温度,内部采用增殖剂与中子倍增剂分层布置以提高热沉积与氚增殖率。为验证包层设计的可行性,分析计算了三维包层氚增殖率与热沉积的分布,然后根据中子学计算得到的结果对超临界水冷固态实验包层进行了数值模拟研究。结果表明:包层功率密度分布较合理;氚增殖率满足运行中氚自持的要求;在冷却剂出口温度达到500℃条件下材料温度不超过限值。该设计方案能满足中子学设计与热工水力的要求。     

CLAM用作超临界水冷包层第一壁结构材料的热与应力性能分析

在聚变堆超临界水冷固态增殖包层第一壁的运行工况下,采用数值方法对采用中国低活化马氏体钢(CLAM)作为结构材料的第一壁进行单向流固耦合分析,为超临界水冷实验包层模块(TBM)的热工设计提供借鉴。分别采用CLAM和F82H作为第一壁结构材料,对比温度场和应力场,并考察不同冷却管道形状(矩形和圆形)、不同冷却管道直径和最小壁厚对第一壁温度场和应力场的影响。结果表明:CLAM的最高温度及最大应力均高于F82H的;采用CLAM作为结构材料时,矩形冷却管道的角域的换热得到了增强,但同时也造成了应力集中,第一壁设计时应综合权衡;增大冷却管道直径和减小最小壁厚均有利于换热。