高熵合金的抗辐照性能研究进展

高熵合金作为一种新型多主元固溶体合金,成分复杂、全局无序,且具有多主元效应,表现出较为优异的综合性能,有望作为新型抗辐照结构材料应用于先进核能反应堆系统。本文介绍了目前高熵合金抗辐照性能的研究现状,主要涉及高熵合金辐照缺陷演化、微观结构变化和性能退化等辐照损伤演化过程,梳理了多主元效应对辐照损伤演化过程的影响规律。针对高熵合金的抗辐照性能研究,总结了目前高熵合金的几种抗辐照损伤机制,归纳了高熵合金抗辐照性能研究存在的问题,以及对高熵合金后续的研究方向进行了展望。     

C276合金的抗辐照性能研究

C276合金为包壳部件的候选材料之一，本文拟对其抗辐照性能进行研究。对C276合金进行质子及多束粒子辐照，利用纳米硬度仪、透射电镜、拉曼成像仪等研究了C276合金在辐照前后的试样。结果表明：在质子及多束粒子辐照下，辐照损伤区域发生C偏析和位错环硬化；在H或He单束辐照条件下，在35.0 μm或3.5 μm深度处，拉曼光谱中的碳峰相对强度较大且碳峰红移，引起此处的纳米硬度较其他深度处的高；试验得到的损伤峰对应的深度与模拟计算得到的吻合。可推知，C276合金在质子及多束粒子下的辐照硬化是辐照偏析及可能的位错环硬化综合作用的结果。     

Mo-Re合金薄膜的辐照效应研究

使用离子注入技术,将200 keV氤离子注入到Mo-Re合金薄膜中,实现对薄膜的表面选区辐照改性.该薄膜的合金成分用X射线荧光光谱(XRF)测出.利用白光干涉表面形貌仪,测量了辐照区的溅射刻蚀深度和表面粗糙度,评价了合金成分对薄膜辐照行为的影响.结果表明适量Re的加入能够显著提高合金薄膜的抗溅射能力.     

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。     

Ar+离子辐照对锆4合金耐腐蚀性能的影响

为了研究辐照损伤对锆4合金电化学耐腐蚀性能的影响,使用直线加速器产生单电荷载能Ar+,在液氮温度下辐照样品表面,产生缺陷.然后,测量辐照后锆4合金的电化学极化曲线,使用钝化电流密度作为评定腐蚀性能的指标,分析不同注量Ar+离子辐照对锆4合金钝化电流密度的影响.同时使用透射电子显微镜分析不同注量Ar+辐照下锆4合金损伤层的微观结构.实验结果表明在低离子注量范围内(＜3×1014/cm2),随着辐照量的增加钝化电流密度升高,耐腐蚀性能降低;在中等离子注量范围内(3×1014-1×1016/cm2),随着辐照量的增加钝化电流密度急速下降,耐腐蚀性能显著提高;在高离子注量范围内(1×1016-1×1017/cm2),随着辐照量的增加钝化电流密度又开始增加,耐腐蚀性能再次降低.最后,根据原子碰撞理论对实验结果进行了理论分析.     

合金靶片辐照性能初探

为评估靶片制造工艺的可行性,将一些靶片放入反应堆中进行辐照考验。通过对靶片辐照前后性能,诸如外观、尺寸等的检测,初步确认,目前的靶片制作工艺可保证包壳层和芯体层结合良好,辐照不会对放射性气体的包容和靶片的操作产生不利影响。     

高温热处理对AlZrNbMo核用高熵合金微观组织及力学性能的影响

目前,核用低中子截面型高熵合金还存在绝对强度不足的瓶颈难题。为实现核用低中子截面型高熵合金力学性能的大幅提升,本研究通过电弧熔炼制备了AlZrNbMo系BCC结构高熵合金,压缩力学性能测试发现高温固溶处理后AlZrNbMo高熵合金的强度同铸态相比提升了31%,达到了约2 210 MPa。通过对比分析铸态及1 200℃高温固溶后AlZrNbMo高熵合金的相组成、元素分布等微观组织,发现1 200℃高温热处理后,AlZrNbMo高熵合金的晶内相区域Nb、Mo含量大幅度提升,导致基体相的晶格畸变增大,利于强度的显著升高;同时,原始铸态组织中的晶间黑色区域为富Zr单质颗粒,强度相对较低;随着高温热处理后的迅速淬火,由于元素的迁移扩散导致高硬度AlZr金属间化合物相的生成,同样利于合金强度的大幅度提升。相关结果将为新型超高强度核用高熵合金的设计提供理论参考和设计依据。     

用正电子湮没技术研究新锆合金包壳的离子辐照效应

国产Zr-Sn-Nb系新锆合金SZA-4和SZA-6是CAP1400大型先进压水堆包壳材料的主要候选材料,对其辐照性能的研究可为制备工艺改进提供科学依据。在中国原子能科学研究院HI-13串列加速器辐照终端,在300 ℃温度下,用100 MeV的Fe束流对两种新锆合金包壳管材进行5 dpa剂量辐照。辐照前后的正电子湮没寿命测量表明：两种样品辐照前湮没寿命为Zr中单空位寿命,表明管材制备过程中最后的退火温度和时间尚未完全消除加工引入的缺陷;两种样品辐照后的正电子湮没寿命减小,分析表明这是由于辐照导致Fe在锆合金中重新分布,主要分布在bcc结构的β-Nb沉淀相颗粒与hcp结构的α-Zr基体之间具有开空间的相界,正电子被相界捕获,与周围Fe原子电子湮没,造成湮没寿命减小。     

195keV Ar^＋辐照非晶态合金表面损伤形貌的研究

用扫描电子显微镜观测研究了室温下１９５ｋｅＶＡｒ＋辐照非晶态合金Ｃｏ（６０）Ｆｅ（１２）Ｎｉ（１０）Ｓｉ６Ｂ（１２）和Ｆｅ（３９）Ｎｉ（３９）Ｖ２Ｓｉ（１２）Ｂ８在各剂量阶段的表面损伤形貌。结果表明，表面损伤是发泡和溅射相互竞争的过程。低剂量下，表面损伤以发泡为主；而在高剂量时，表面发泡消失，溅射造成的多孔粗糙表面损伤结构形成。对高剂量时表面发泡消失的可能机制作了探讨。     

锆合金辐照蠕变和生长的宏介观模型研究进展

锆合金作为核反应堆堆芯的主要结构材料之一,在服役过程中会发生辐照蠕变和生长行为,严重影响其使用可靠性。预测锆合金的辐照蠕变和生长是保障反应堆安全运行的关键。本文聚焦于两类锆合金构件,包括压水堆用锆合金包壳管及重水堆用Zr-2.5Nb压力管,分别从宏介观尺度详细综述了其辐照变形预测模型。针对适用于包壳管的宏观经验模型及介观力学模型,分别描述了两类模型的特征,重点介绍了介观力学模型的研究现状及最新进展,并对其未来的发展方向提出建议;针对适用于压力管的宏观经验模型,包括加拿大CANDU压力管辐照变形计算方程(简称C6方程)及秦山重水堆压力管辐照变形计算方程(简称秦山方程),分别描述了两类方程的具体形式,并介绍了C6方程国产化的进展。     

辐照硬化位错动力学模拟的研究进展

辐照硬化是金属材料的辐照效应之一,开展辐照硬化机理研究有助于设计可靠的反应堆结构材料。辐照产生的缺陷会对位错运动造成阻碍,被认为是辐照硬化的主要原因。近年来快速发展的位错动力学模拟方法为材料的微观组织变化和宏观力学性能之间建立起了桥梁,被广泛用于辐照硬化机理研究。对于一些辐照缺陷如位错环和层错四面体,位错动力学软件已能模拟它们对位错网络演化以及宏观力学响应的影响,使辐照硬化的定量预测成为可能。本文从位错动力学模型、不同类型辐照缺陷硬化效应的位错动力学模拟以及辐照硬化理论模型发展三个方面,综述了辐照硬化位错动力学模拟的研究进展,并展望该研究领域的主要科学问题。     

钼铼合金在空间核电源中的应用性能研究进展

钼（Mo）中加入铼（Re）可显著改善钼的低温脆性进而提高其加工性能及焊接性能,提高强度的同时仍保持良好的塑性。Re元素含量为14%左右时,Mo-Re合金延伸率接近40%,加工性能最好,而同时存在一定的Re元素固溶强化作用。在1550 K以下温度,Mo-Re合金与UO₂的相容性较好。在1 300 K以下时,Mo-Re合金与UN的相容性较好。在1800 K以下时,Mo-Re合金与碱金属Li、Na、K的相容性均较好。钼铼合金与核燃料及碱金属冷却剂均具有良好的相容性,且Re元素是一种较好的谱移吸收体材料,可有效降低反应堆临界事故风险。钼铼合金是空间核电源中最佳反应堆芯结构材料。本文对钼铼合金的研究状况进行总结,为国内相关空间核反应堆电源系统设计选材和研究提供参考。     

氦对低活性Fe-Cr-Mn(W,V)合金辐照损伤影响

采用低能离子加速器和超高压电镜相连接复合辐照装置,研究注入He后经电子束辐照,观察低放射性Fe-Cr-Mn（W,V）合金的辐照损伤特征;研究He对辐照过程中产生二次缺陷,空洞肿胀,诱起晶界偏析的影响。实验结果证明He的存在,增加辐照初期位错密度,促进空洞核心形成及空洞肿胀增加,抑制晶界近旁溶质元素偏析。     

N36锆合金包壳辐照生长经验模型研究

利用N36锆合金包壳燃料棒堆内辐照考验的部分池边检查数据,计算了4个典型辐照生长经验模型对N36锆合金包壳的适用参数。计算结果表明,在典型辐照生长经验模型中,双曲正切经验模型最适合描述N36锆合金包壳辐照生长行为。在双曲正切经验模型基础上,建立了N36锆合金包壳辐照生长最佳估算模型和包络模型。通过添加工程因子,建立了不同加工工艺的N36锆合金包壳辐照生长经验模型。利用池边检查剩余数据对N36锆合金包壳辐照生长经验模型进行了验证,模型与数据吻合较好。     

DNA损伤修复相关蛋白H2AX,ATM,CDKN1A,TP53辐射响应研究现状

人类受到照射后,至少有173种蛋白质表达水平增加和磷酸位点发生改变。本文介绍了DNA修复相关蛋白质H2AX、ATM、CDKN1A、TP53的生物学特性,以及不同品质和不同剂量射线诱发这些蛋白质响应研究现状。     

基于深度神经网络的ODS合金辐照硬化预测

氧化物弥散强化(ODS)合金作为第4代先进堆结构材料和聚变堆第一壁结构材料的候选材料,其抗辐照性能仍是制约其在快堆和聚变堆领域应用的关键技术难题。本文通过收集ODS合金的成分、固化和热处理工艺、辐照条件、测试条件（包括温度等）及屈服强度等数据约570条,并对数据进行清洗及重要属性的筛选,采用机器学习中反向传播的深度神经网络方法,尝试构建了Cr、Y₂O₃等关键成分与ODS合金中子辐照硬化的关联性,获得针对ODS合金辐照硬化的性能预测。结果表明：Cr含量约为6%、Y₂O₃添加量约为0.2%时,ODS合金的辐照硬化程度降低,同时Ti的添加有利于ODS合金辐照硬化程度的降低,而添加Al则会加剧其辐照硬化。据此,后续可得出一定辐照条件下,辐照硬化程度更低的ODS合金成分设计方案。