多束离子辐照研究低活化铁素体/马氏体钢中氢、氦及离位损伤协同效应对位错环的影响

The complicated synergistic effects of H, He and displacement damage resulted from neutron irradiation in Reduced-activation ferritic/martensitic (RAFM) steels remain unclear. Early researches mostly focused on irradiation induced bubbles and voids. Recently, more attention has been paid to the synergistic effect on dislocation loops, a more basic irradiation-induced defect. This project aims at unsolved key scientific problem about the synergistic effects on dislocation loops in RAFM steels. With the multiple-beam ion irradiation facility recently built by the project team and transmission electron microscopy (TEM), simultaneous and sequential ion irradiation experiments of He+, H+ and heavy ion and observation of irradiation defects are to be conducted. By researching the synergistic effect of H, He and displacement systematically, the roles that H, He and displacement damage play in synergistic effect respectively and the mechanism of synergism can be revealed, which will provide a scientific basis for ultimately inhibiting the very harmful synergistic effects.

低活化铁素体/马氏体钢在高能中子辐照下嬗变产生的气体氢和氦及其与离位损伤的复杂协同效应，是当前仍未解决的一个困难问题。早期的协同效应研究主要集中在辐照肿胀方面，近些年来，协同效应对辐照产生的更基本的缺陷-位错环缺陷的影响引起了人们的重视和关注。本项目针对协同效应对位错环影响的研究中尚未解决的关键科学问题，应用项目组新近建立的多束离子辐照装置，开展铁素体/马氏体钢的氢离子和氦离子单束辐照、双束同时辐照和先后辐照，氢离子和氦离子分别与重离子的同时辐照和先后辐照实验研究，应用透射电镜进行辐照缺陷观察，系统研究氢和氦对位错环的影响，氢氦协同效应对位错环的影响，以及氢和氦与离位损伤的协同效应对位错环的影响，鉴别氢、氦和离位损伤这三个因素在对位错环协同效应中各自发挥的作用，深入揭示协同效应的物理机制，为最终抑制危害极大的协同效应提供科学依据。

本项目针对先进核能系统中候选结构材料面临的高能中子辐照损伤与嬗变产生的氢和氦的复杂协同效应这一难题，以国产的低活化铁素体/马氏体（RAFM)钢为主要研究对象，以辐照产生的位错环这一基本缺陷为主要的研究问题，系统展开了不同温度和氢氦浓度下的氢、氦离子单束辐照和双束辐照、铁和氦离子双束同时辐照和先后辐照、铁和氢离子双束同时辐照，以及预注入氦的铁、氢离子双束同时辐照的透射电镜研究，并结合分子动力学（MD）模拟、正电子湮没谱和热吸收谱等技术深入分析了氢和氦的行为、对RAFM钢微观结构的影响以及协同作用的机理。研究发现，单束氦离子辐照时大多数氦泡集中分布在位错环包围的区域内这一特殊位置关系并以泡-环复合体的形式促使位错环长大，氦泡对1/2<111>位错环迁移性的限制使其向<100>位错环的转变温度升高，并发现了RAFM钢中氦泡快速形核和长大的临界氦浓度。单束氢离子辐照时450℃是氢促进位错环长大的峰值温度，氢的引入降低了1/2<111>位错环向<100>位错环的转变温度。MD模拟研究发现Fe晶格内高浓度的氢原子之间可通过自捕获促进空位型缺陷处形成局部高浓度氢区域。氢泡可捕获 1/2<111>位错环并将其钉扎形成泡-环复合体结构，而大尺寸氢泡可与间隙型位错环湮灭，钉扎机制与湮灭机制之间可以转换。预辐照氢可以抑制后辐照氦时位错环的长大，并且随着氢辐照剂量的增加，抑制效果逐渐变强。在铁离子与氢氦的多束辐照研究中，发现铁离子和氦离子的先后辐照顺序对位错环的演变有极大的影响，这和氦与离位损伤的作用阶段有关。Fe+He同时辐照和Fe+H同时辐照研究发现，氢和氦与离位损伤的协同作用均能促进位错环形核和长大。相比于氢，氦与离位损伤的协同作用引起的位错环尺寸更大。结合单束离子辐照和双束离子先后辐照研究结果，揭示了氢和氦在与离位损伤的协同效应中所发挥的作用和机理，即氢氦均能促进位错环的成核和长大，但氢则更易促进环的形核，而氦因其对间隙子-空位复合的抑制作用和间隙子挤出效应使得氦更倾向于促进环的长大。