鋯合金帶電離子輻照效應及氦泡演化行為研究.pdf

1、核電技術發(fā)展至今已有60多年歷史，國際原子能機構（IAEA）2014年年度報告顯示，目前全球核電運行機組共有434臺，其發(fā)電總量為371.7GW，約占世界發(fā)電總量的16％。隨著化石能源的逐漸消耗，全球能源變得十分稀缺。核能作為一種清潔能源，可以在滿足增加的電能需求的同時減少碳排放量，實現(xiàn)國家能源安全和可持續(xù)發(fā)展的目標，因而核電技術的發(fā)展將會得到更高的重視。
　　核能工業(yè)的發(fā)展促進了對適應于反應堆環(huán)境材料的研究與開發(fā)，評估材料在核反

2、應堆中的適用性能的主要標準為材料的機械強度和高溫水熱環(huán)境中的耐腐蝕性能。鋯及其合金具有較好的機械性能、較強的耐腐蝕性能、低的熱中子吸收截面等特性，因而被作為核能工業(yè)中的戰(zhàn)略材料，在核反應堆中主要被用作結構材料和燃料棒包殼等。反應堆運行時，鋯合金將受到中子束流及多種離子束、γ射線的輻照。輻照會導致鋯合金微觀結構變化，進而影響合金的機械性能和耐腐蝕性能，最終導致材料失效。因此，研究鋯合金的耐輻照性能具有重要意義。
　　自1984年中國

3、第一座核反應堆通過技術鑒定以來，經(jīng)過30年在核電領域的快速發(fā)展，中國現(xiàn)已成為核電領域的先進國家，由此增加了國家對優(yōu)質鋯合金的需求和開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的高性能鋯合金的緊迫性。N18鋯合金是一種中國自主研發(fā)的鋯合金，堆外性能測試結果證實N18具有更優(yōu)異的耐腐蝕性能、吸氫性能和力學性能。但是，對該合金的耐離子束輻照性能、氦泡的演化行為及其氫化行為的研究還很少。本文將從以上三個方面內(nèi)容展開詳細研究，評估N18鋯合金的抗輻照性能、氦泡演化行為及

4、氫化行為，主要研究內(nèi)容分為四個部分：
　?。?）研究了輻照溫度為360oC時2MeV的質子束輻照N18鋯合金的輻照效應，結果表明：鋯合金中的第二相粒子主要為密排六方結構的Zr(Fe,Cr,Nb)2，輻照劑量達到3.9dpa時，第二相粒子開始發(fā)生部分非晶化轉變，顆粒呈現(xiàn)出核殼結構，即第二相粒子內(nèi)部為晶體，邊緣為非晶態(tài)；當輻照劑量為8.2dpa時，第二相粒子發(fā)生完全非晶化轉變。對非晶化轉變前后的第二相粒子采用能譜儀進行線掃描研究，結果

5、顯示第二相粒子發(fā)生非晶化轉變的機制與 Fe元素由第二相顆粒擴散進入基體緊密相關。
　?。?）在透射電子顯微鏡中原位研究了輻照溫度為310 oC時500keV的Ne離子束輻照N18鋯合金的輻照效應，結果表明：N18鋯合金中第二相粒子Zr(Fe,Cr,Nb)2經(jīng)Ne離子輻照至0.5dpa時開始發(fā)生非晶化轉變；當輻照劑量增加至1.0dpa時，第二相粒子完全非晶化。此外，對完全非晶化后的第二相粒子進行原位退火研究，結果顯示退火溫度為450

6、oC時第二相粒子開始發(fā)生再結晶，并在溫度為600oC時完全結晶。完全結晶后形成的納米顆粒具有與輻照前Zr(Fe,Cr,Nb)2相同的密排六方結構。此外，400keV的重離子Fe輻照N18鋯合金后會導致其顯微硬度增大，這是由于輻照在合金中產(chǎn)生大量的位錯所致。
　?。?）采用離子注入方法在N18鋯合金中引入He離子，注入能量為400keV，研究了合金中形成的氦泡與注入劑量和輻照溫度的關系，以及加熱過程中原位研究氦泡的演化行為，結果表明

7、：合金中氦泡的尺寸隨輻照劑量的增加而增大，輻照溫度越高越有利于氦泡的長大；氦泡的原位加熱研究結果顯示，溫度低于650oC時，氦泡的成長速度緩慢，溫度高于650oC時，氦泡迅速長大，氦泡的長大遵循氣泡的遷移合并機制。此外，采用納米壓痕儀研究了鋯合金的顯微硬度與注氦量的關系，表明合金表層硬度值隨注氦量的增加而增大。
　　（4）在掃描電鏡中原位研究了 N18鋯合金的氫化反應，系統(tǒng)中的氫來源于Ga離子束激發(fā)有機金屬氣體 MeCpPtIVM

8、e3分解。形成的鋯氫化物具有針狀形貌，面心立方結構的δ-ZrH1.5-1.66。針狀的鋯氫化物鋯排列有序，并與鋯合金基體α-Zr具有[010]α//[1-10]δ，(001)α//(111)δ的外延取向關系。氫化物的形成被認為與鋯合金內(nèi)應力釋放導致的應變驅動力相關。在透射電子顯微鏡中采用選區(qū)電子衍射和電子能量損失譜原位研究了鋯氫化物的熱穩(wěn)定性，結果表明：加熱前鋯氫化物為δ-ZrH1.5-1.66相，溫度升高至450oC時，δ-ZrH1.