先进快堆外套管材料铁素体/马氏体钢研究进展

介绍了快堆外套管材料的使用要求以及国内外快堆外套管材料的选用情况,论述了快堆中中子辐照对铁素体/马氏体钢的微观结构和力学性能的影响,并介绍了国产快堆外套管材料铁索体/马氏体钢的研发计划.铁索体/马氏体钢具有优异的抗辐照肿胀性能,T92钢作为第三代铁索体/马氏体钢同时具有良好的高温强度,被作为国产快堆外套管的首要候选材料...     

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。     

先进反应堆用ODS F/M钢的强韧性匹配研究进展

氧化物弥散强化(ODS)铁素体/马氏体(F/M)钢具有极高的缺陷阱密度,加之体心立方结构基体,使其具有优异的抗辐照性能,被确定为包括聚变堆和第4代裂变堆在内的先进核能系统关键部件候选材料,成为核材料领域的研究热点。有利于ODS钢抗辐照性能的显微组织特点同时也赋予了ODS钢优异的室温和高温强度。但和其他高强度材料类似,ODS钢也存在强度高,而塑韧性不足的矛盾,不利于复杂部件的加工,因此,实现ODS F/M钢的高强高韧成为面向工程应用的ODS F/M钢研究的一大热点和难点。目前,针对ODS F/M钢强韧化的研究还较少,已有的相关研究也不够系统和深入,本文主要对抗辐照ODS F/M钢的显微组织结构要求及其强韧化研究现状进行总结和分析,为先进反应堆用抗辐照ODS F/M钢的强韧化设计提供思路和参考。     

先进反应堆用ODS F/M钢的强韧性匹配研究进展

氧化物弥散强化（ODS）铁素体/马氏体（F/M）钢具有极高的缺陷阱密度,加之体心立方结构基体,使其具有优异的抗辐照性能,被确定为包括聚变堆和第4代裂变堆在内的先进核能系统关键部件候选材料,成为核材料领域的研究热点。有利于ODS钢抗辐照性能的显微组织特点同时也赋予了ODS钢优异的室温和高温强度。但和其他高强度材料类似,ODS钢也存在强度高,而塑韧性不足的矛盾,不利于复杂部件的加工,因此,实现ODS F/M钢的高强高韧成为面向工程应用的ODS F/M钢研究的一大热点和难点。目前,针对ODS F/M钢强韧化的研究还较少,已有的相关研究也不够系统和深入,本文主要对抗辐照ODS F/M钢的显微组织结构要求及其强韧化研究现状进行总结和分析,为先进反应堆用抗辐照ODS F/M钢的强韧化设计提供思路和参考。     

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.     

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。     

1.61 dpa/300℃中子辐照后CLAM钢的硬化和脆化行为

较低温度(350℃)下,反应堆结构材料的中子辐照硬化与脆化行为一直是其核工程应用中关注的热点问题之一。低活化铁素体/马氏体钢(RAFM)是国际热核聚变堆实验包层模块(ITER-TBM)首选结构材料,其在寿期内受到的中子辐照累积剂量不超过3 dpa,服役温度300~500℃。为推进具有我国自主知识产权的中国低活化钢-CLAM钢在ITER中国实验包层模块(ITER-CN-TBM)中的应用,本文通过开展1.61 dpa/300℃中子辐照前后CLAM钢拉伸性能和冲击性能测试以及与国际同类低活化钢相近辐照条件下的性能数据进行对比分析,研究了中子辐照后CLAM钢的硬化和脆化行为。结果表明,CLAM钢辐照后在室温测试时的抗拉强度和屈服强度分别为692 MPa和596 MPa,相比辐照前分别增加了29 MPa和56 MPa,表现出一定程度的辐照硬化。辐照后的韧脆转变温度DBTT相比辐照前增加了56℃,出现辐照脆化现象。与国际同类低活化钢在相近辐照条件下的测试结果对比分析,表明CLAM钢具有相对优异的抗中子辐照能力。     

聚变堆低活化马氏体钢的发展

介绍了国际聚变堆低活化结构材料发展概况及趋势,以及国内发展自己特有的低活化马氏体钢的必要性。介绍了聚变堆结构材料——低活化铁素体/马氏体钢发展的必要性及迫切性,以及目前国际上包括欧洲、日本、美国等在此方面研究的进展概况及发展趋势,最后提出了国内发展自己特有的低活化马氏体钢——CLAM钢的必要性,并对目前的研究进展情况做了介绍。     

两类钒基合金的辐照硬化研究

钒合金(V-Cr-Ti系列)是重要的聚变堆结构候选材料,但是相比于铁素体/马氏体钢等其他候选材料,有关钒合金(V-Cr-Ti)的辐照损伤研究较为缺乏。利用载能离子束模拟聚变堆中子辐照条件,对V-4Cr-4Ti和V-5Cr-5Ti两种样品进行了载能He离子和重离子辐照实验。实验采用离子束梯度减能方法在样品中产生辐照损伤的坪区,利用纳米压痕技术测试材料的辐照硬化效应。结果表明,样品纳米硬度的深度递减现象可以用Nix-Gao模型很好描述,高能重离子辐照的样品中软基体效应可以有效避免;在He离子辐照情形,He浓度(以原子百万分率计(Atomic parts per million,APPM))/位移损伤(以每原子平均离位数计(Displacement per atom,DPA))大于4 200/0.2时,两种钒合金样品出现硬化饱和现象;相近位移损伤水平下,He与空位的结合导致缺陷集团的加速长大,致使材料的辐照硬化远大于重离子辐照情形。     

高燃耗下快堆燃料与包壳的化学相互作用模型建立及验证

快中子反应堆二氧化铀燃料元件在高燃耗、高中子注量率、高线功率和高温状况下运行,燃料与包壳材料会发生复杂的物理化学相互作用。燃料元件化学相互作用模型的建立对高燃耗快堆燃料元件的设计非常重要。针对快中子反应堆氧化物燃料元件与包壳材料发生的化学相互作用,采用动力学模型建立了二氧化铀与奥氏体不锈钢、铁素体-马氏体钢包壳材料的化学相互作用模型,并通过实验数据验证该模型。结果表明：建立的快堆二氧化铀燃料与奥氏体不锈钢的腐蚀模型可以成功预测最大燃耗10.8at%、辐照损伤87.5 dpa的包壳腐蚀;建立的快堆二氧化铀燃料与铁马钢的腐蚀模型可以成功预测最大燃耗9.3at%、辐照损伤76.6 dpa的包壳腐蚀。研究结果为高燃耗二氧化铀辐照元件及示范快堆燃料元件的设计和性能预测提供重要的参考价值。     

氦泡硬化机理的原子尺度模拟研究

正铁素体/马氏体钢(F/M钢)由于具备优良的热机械性能,如高强度、较低的辐照肿胀、较低的热膨胀系数、较高的热导率,被普遍认为是第4代反应堆和聚变堆的候选结构材料。在服役过程中,中子会在材料内发生嬗变反应,生成大量氦。氦原子与金属材料不相容,易被空位结合,在晶界、晶粒内易聚集成泡。氦泡的存在会对材料力学性能产生影响。研究F/M钢中氦引起硬化和脆化有助于了解和预测其在反应堆环境下的服役情况。     

低活化铁素体/马氏体钢CLF-1氢氘的渗透行为

低活化铁素体/马氏体钢(RAFM钢)作为聚变堆结构材料中最有前景的候选材料,其氢同位素渗透行为备受关注。采用氢同位素气相驱动渗透的方法,对中国低活化铁素体/马氏体钢CLF-1的氢同位素渗透行为进行了研究,研究了温度、气体压强、样品表面状态等因素对其渗透行为的影响。结果表明:氢、氘在RAFM CLF-1钢中渗透扩散过程为体扩散控制,渗透率与温度的关系式均遵循Arrhenius关系;在实验测试过程中,由于样品表面发生氧化现象和缺陷捕获造成H₂和D₂渗透实验中渗透通量出现下降的现象。     

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。     

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.     

用于制造KOHCSBTBM低活化铁素体／马氏体不锈钢的焊接技术的开发

韩国氦冷固体氚增殖堆试验包层模块的概念设计已经完成,还研究了试验包层模块概念的制造可行性。因此,很有必要研究开发其制造技术,如结构材料的连接技术,这是因为低活化铁素体／马氏体钢被公认为是韩国氦冷固体氚增殖堆试验包层模块的结构材料。几种类型的低活化铁索体／马氏体钢已得到推荐,但是它们的焊接性仍然在研究之中。本文详细地调查研究了低活化铁素体／马氏体钢的电子柬焊接技术,包括焊接样品在焊后热处理之前和焊后热处理之后的拉伸、硬度、冲击及微观结构等性能。结果显示焊接质量和本文应用的工艺是合理的。     

球形压头半径对离子辐照后RAFM钢硬度及力学性能提取的影响

纳米压痕仪中压头形状直接决定压头载荷-深度曲线，进而影响宏观力学性能的提取，但压头半径对辐照后材料硬度及力学性能提取的影响依然缺乏深入的研究。本文研究了不同半径球形压头(0.3、1.0和10.0μm)对辐照后低活化铁素体/马氏体(RAFM)钢硬度和力学性能提取的影响。不管压头半径如何改变，所有辐照样品均出现反尺寸效应，纳米压痕仪接触面积测量误差是导致该现象产生的主要原因。此外，离子辐照后所有样品均出现辐照硬化，但随着辐照剂量的增加，硬化现象逐渐减弱，直至出现辐照软化。相同载荷与辐照剂量条件下，低活化铁素体/马氏体钢硬度随压头半径的增加而逐渐降低。不管辐照剂量如何改变，随着压头半径的增加，提取出的弹性模量逐渐增加而屈服强度逐渐减小。相同压头半径时，弹性模量和屈服强度随辐照剂量的增加均呈现先增加后减小的趋势。对比未辐照样品，压头半径增加至10.0μm时，所提取出的屈服强度和弹性模量更接近于拉伸实验所获得的数值。以上结果表明：球形压头可用于提取离子辐照后低活化铁素体/马氏体的宏观力学性能，并且半径越大预测结果越接近拉伸实验所获得的数值。     

快堆用HT-9研究进展

HT-9是含Cr量12%的铁素体/马氏体钢,是液态金属冷却快堆燃料包壳及外套管优异的候选材料。介绍了HT-9的研究进展,对HT-9在液态金属冷却快堆环境所需关键应用性能进行归纳和评述,对HT-9应用于铅冷快堆存在的主要问题进行了分析,给出了未来HT-9合金的主要发展趋势。     

T91/15-15Ti异材焊接接头微观组织和力学性能研究

T91和15-15Ti是第4代核能钠冷快堆和铅铋快堆候选结构材料,国内外对铁素体/马氏体钢和奥氏体钢焊接性能、焊后热处理、焊接应力等进行了广泛的研究。本文对T91/15-15Ti试板焊态和热处理态焊接接头的焊缝、热影响区和母材微观组织和力学性能变化进行了研究,为T91和15-15Ti异材焊接参数选用和材料应用提供实验数据。     

聚变驱动次临界堆双冷嬗变包层结构设计与分析

给出聚变驱动次临界堆液态金属LiPb/He气双冷嬗变包层参考结构概念,采用了低活化铁素体/马氏体RAFM钢(如CLAM)作为结构材料、简单液态金属流道、两个独立氦气冷却系统以及燃料球/颗粒等设计方案。重点分析了嬗变包层第一壁、重金属区与裂变产物嬗变区的结构设计特点。     

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.