辐照诱导RPV钢中磷的偏析及对材料脆化行为影响的多尺度模拟研究

The embrittlement of Reactor Pressure Vessel (RPV) steels is in general thought to be caused primarily by 1) the formation of Cu-enriched clusters, 2) the formation of matrix damage features, and 3) the segregation of phosphorus atoms at grain boundaries. The segregation of P atoms at grain boundaries may weaken the strength of grain boundary bonding so that fracture occurs preferentially at grain boundaries. Thus, embrittlement due to P segregation is called non-hardening embrittlement. At present, P segregation has been identified in RPV materials such as A533B,A508-III and VVER steels used in many reactors in worldwide, but the effect of P segregation on the grain boundary fracture is not well understand until now.Now it is believed that harding of the matrix by precipitates rich in copper is the basic mechanism of RPV steel embrittlement in PWRs and VVERs at moderate dose.Recent research shows that, as neutron fluences increases, the fraction of intergranular fracture(IGF) in VVER base steels increases to 80% and irradiation-induced P coverage at grain boundaries approaches 45% of a monolayer. Similar increase are seen in PWR materials. These results suggest that the additional non-hardening intergranular segregation mechanism of irradition embrittlement becomes more importmant in these RPV steels at higher level of neutron fluence. In this research, we will focus on the dynamic mechanism model of Phosphorus segregation under higher level neutron fluence and a model to predict the contribution of non-hardening, radiation-induced P intergranular segregation to the DBTT shift.

最近大量加速辐照实验数据表明，当辐照到相当于核电站60-80年寿期中子注量时，辐照诱导磷（P）的晶界偏析所导致的RPV钢非硬化致脆是RPV钢的主导脆化因素之一，但到目前为止关于RPV钢中辐照诱导P的晶界偏析机理以及P的偏析对RPV钢脆化机理的影响还没弄清。本课题拟采用多尺度模拟方法，在已有的大量实验数据基础上采用多尺度模拟方法针对高注量中子辐照下RPV钢（A508-III钢、VVER）中P的晶界偏析机理、P的偏析对RPV钢ΔDBTT的影响开展理论研究，建立高注量中子辐照诱导RPV钢中P的晶界偏析物理模型、高注量中子辐照下P的偏析对RPV钢脆化机理影响物理模型，探讨影响P晶界偏析的主导因素以及P的偏析物所导致的非硬化致脆机理，在此基础上预测相当于80年寿期时P的偏析量以及RPV钢的脆化程度，以期为核电站的延寿提供技术支持。

压力容器是反应堆中不可更换的关键部件，在服役过程中经中子辐照将导致脆化，是影响核电站安全性和经济性的关键因素。辐照诱导RPV中P的晶界偏析是导致RPV钢脆化的主要因素之一。到目前为止关于RPV钢中辐照诱导P的晶界偏析机理以及P的偏析导致的非硬化脆化机理还没完全弄清，尤其是合金元素（C、Ni、Mn、Cu等）对P偏析以及偏析致脆的影响还有待进一步深入研究。.本研究基于多尺度模拟手段研究了辐照诱导RPV钢中P的晶界偏析机理及其导致的非硬化致脆机理。主要结论如下：.①P与点缺陷的相互作用机理：P与点缺陷具有较强的结合能，且P与点缺陷形成复合体伴随扩散，是P晶界偏析的主要载体； P与C之间相互排斥，但当形成P-C-空位复合体时，P与C之间相互吸引，且P-C-空位复合体能结合多个P原子，是纯P团簇的籽核；P与Ni、Mn之间相互吸引，辐照下将出现P与Ni、Mn的共偏析。.②P的晶界偏析机理及偏析量预测：基于本研究建立的多元系晶界偏析模型以及开发的模拟软件Radieff预测A508-III钢辐照至60年寿期时晶界上P偏析量约为30at%，80年时为35at%；而VVER-1000用钢辐照至60年寿期时预测的P偏析值约为50at%。.③偏析对晶界强度的影响：晶界上P含量小于10at%时晶界强度的变化满足Shvindlerman模型；但当P含量超过10at%时，由于P原子之间的相互排斥，导致晶界强度急剧降低。.④偏析对脆化的影响：根据本研究建立的多元系偏析模型以及断裂强度、晶界强度与P偏析量的关系，预测A508-III钢辐照至60年和80ni寿期时晶界上P偏析量分别约为30at%，对DBTT的贡献非常小；VVER-1000用钢辐照至60年寿期时预测的P偏析值约为50at%，此时P的偏析对晶界强度以及断裂强度影响较大，P的偏析所导致的DBTT变化将超过36℃，P的偏析对脆化的影响不能忽视。.通过本项目的研究，加深了对RPV钢中辐照诱导P的晶界偏析机理及其导致的非硬化致脆机理的认识，对于深入认识RPV钢的辐照脆化机理具有一定的理论意义，且对于我国开展长寿期RPV钢脆化预测以及核电站延寿具有一定的指导意义。同时本研究建立的多尺度模拟方法以及模拟程序亦可拓展模拟四代堆以及聚变堆用F/M钢中辐照诱导P的行为研究、铁基材料中氢脆和氦脆的研究。