聚变堆候选结构材料辐照损伤的研究

【作者】 张崇宏；

【机构】 中国科学院近代物理研究所；

【摘要】 进入二十一世纪,人们对能源需求的持续迅速增长以及日益严重的环境问题迫切要求加强对目前占统治地位的化石燃料之外新型能源的研发。先进核能系统(快堆、聚变堆等)是一种有前景的可大规模替代能源。近二十年来,对聚变堆的研究取得了显著进展,随之而来的材料问题逐渐成为一个现实难题,这是由于新型反应堆堆中的材料将面临更苛刻的工作环境(高温、强辐照、强腐蚀等)。研制能够满足这种苛刻环境要求的材料将是发展商用新型反应堆堆的一个关键问题。对聚变堆中的辐照环境而言,结构材料如第一壁、包层材料的辐照损伤主要表现在两个方面,一方面是由高能中子入射引起的原子级联碰撞所导致的材料晶格原子离位,另一方面是由高能中子诱发的核反应气体杂质(主要是氢和/或氦)的生成或逸出聚变等离子区的氢和/或氦离子在第一壁材料中的沉淀。在未来聚变原型堆和商用堆中,由于高能中子辐照引起的材料原子离位损伤的速率将是目前商用裂变堆堆情形的10倍以上,而气体杂质(氢、氦等)的产生速率更高,在第一壁和包层材料将达到400-2000 appm/1MW年/m2。辐照损伤的主要后果是材料延性损失(如低温辐照脆化、高温氦脆)和空洞肿胀,最终导致材料失效。其中,通过直接注入或核反应在材料内部产生的氦原子(He)容易与各类空位型缺陷结合,会加速材料中的缺陷生长从而加剧材料性能的劣化;尤其是高温下氦的积累会导致材料晶界处氦泡优先长大,从而引发严重的晶界型脆化,即氦脆。已有研究表明,氢(H)的同时产生会进一步加速材料的空洞肿胀,而室温附近氢浓度达到几个wppm(重量百万分之一单位)时还会导致材料发生氢脆。材料的辐照损伤是一个复杂的多参数过程,涉及多种缺陷的扩散、复合和聚集,以及气体杂质原子氢、氦等与离位损伤尤其碰撞级联损伤的关联,也是一个从原子、介观到宏观的多尺度材料问题。在对辐照损伤演化机理深入了解的基础上研制新材料或进一步优化候选材料的性能是聚变堆材料研究的一项重要内容。本文主要介绍近年来国内外有关聚变堆候选结构材料辐照损伤的研究状况,以及我们研究组利用兰州重离子加速器离子辐照条件(HIRFL-SFC高能离子束辐照条件、ECR离子源320KV高压实验平台离子束辐照条件)开展的低活化钢、高Ni合金辐照损伤机理的研究进展(不同合金中高剂量辐照后的空洞肿胀效应、ODS铁基合金氧化物/铁素体基体界面处惰性气体泡的形成机理等的研究)。更多还原