低活化钢的中子辐照后氦效应机理研究

Reduced Activation Ferritic/Martensitic steels (RAFMs) are presently considered as the primary candidate structure material for future fusion reactors. The structure materials will undergo high displacement damage and transmutation helium by intense flux of high energy neutrons. So irradiation experiments on candidate structure material were widely carried out to investigate the irradiation effects. Many factors affect the fusion neutron irradiation damage and it's difficult to get the anti-irradiation damage mechanisms of material microstructure. In this study, heliumn effects on China Low Activation Martensitic (CLAM)steel will be investigated using fission reactor and spallation neutron source. In order to improve the irradiation properties of RAFM steel and get the influencing factors, microstructure examine before and after irradiation will be done to analysis the irradiation-induced changes in mechanical properties and microstructure. To investigate the mechanism of irradiation damage and microstructure on mechanical properties, simulation will be done using molecular dynamics tools. This study will make a significant cotribution to development of CLAM steel and is very important for application of fusion structure materials.

低活化铁素体/马氏体（RAFM）钢是聚变反应堆的首选抗辐照结构材料，高能14MeV聚变中子辐照将在材料内部引起辐照缺陷及氢氦嬗变元素，使材料力学性能退化，服役寿命降低和风险增加，辐照损伤研究成为RAFM钢研究热点。影响聚变中子辐照损伤因素复杂，国际上做了大量研究并分析了辐照损伤一些规律，但材料辐照损伤机理尤其是辐照后氦效应的研究不够深入，氦与辐照缺陷相互作用机制尚不明确，因此，低活化钢的辐照后氦效应及抗辐照微结构分析是辐照损伤机理研究的热点及难点。本项目拟对中国低活化马氏体（CLAM）钢等低活化钢，通过测试辐照前后的力学性能和微观结构，分析中子辐照后氦影响的剂量效应、温度效应和微结构对氦效应影响机制，同时结合分子动力学模拟研究，可为提高CLAM钢抗辐照性能及优化制备工艺提供实验依据和理论指导。本研究对聚变堆结构材料的早期应用和长期服役具有重要意义。

聚变堆中子将引起首选结构材料低活化钢的辐照损伤及寿命降低，虽然国际上已开展大量辐照实验研究，但因没有强流聚变中子源且高能中子辐照数据稀少，中子辐照后氦效应机理不明，是国际材料辐照研究的不足和难点。为此，项目利用目前世界唯一可同时产生高剂量和高氦产额的散裂中子源SINQ，研究了国内外典型低活化钢的散裂中子辐照损伤及氦效应，结合原子尺度模拟分析，探索了中子辐照后氦导致硬化/脆化效应及微结构影响的根源机理，初步评测了聚变堆结构钢的辐照服役寿命。主要进展为：.1）立足于核结构钢国产化需求，完成了国产低活化钢CLAM在STIP-V辐照实验样品（100-500℃，3-22dpa，250-1600apppm）的拉伸、硬度、正电子湮没和TEM等辐照后测试，分析了辐照剂量、氦浓度、辐照/测试温度等对强度/延伸率、拉伸断口、硬度和缺陷/氦泡的尺寸分布/数密度等变化的影响规律，获得了国产核结构钢的首次高剂量（>20dpa）中子辐照实验数据，也是国产低活化钢的首次中子辐照后氦效应实验数据；.2）比较分析CLAM、Eurofer97、F82H和Optimax-A等低活化钢散裂中子辐照后硬化/脆化规律，发现了散裂中子辐照损伤具有高温（>~320℃）辐照回复效应，并进行散裂中子辐照后退火回复以消除点缺陷团/位错环等辐照缺陷，分析了氦泡尺寸/数密度和氦硬化随辐照剂量/氦浓度的变化趋势及温度影响，依据氦泡量化数据和氦硬化之间关联分析，从实验上获得了令人信服的低活化钢中子辐照后氦泡硬化数据，推导了氦泡阻挡位错移动硬化的影响因子；.3）参考散裂中子辐照实验损伤参数，利用分子动力学和第一性原理方法，研究低活化钢中子辐照后氦效应及微结构影响，从氦泡的结构特性、氦/空位比率、尺寸和温度等因素出发，分析了稳定氦泡对临界切应力和晶界强度/塑性降低脆化行为的影响机制，探索了位错和晶界等对氦泡结构/演化和氦硬化/氦脆化等的影响。