氦氘协同辐照对金属铍微观结构和辐照硬化的影响

In the design of a thermonuclear fusion reactor, beryllium is a candidate material for constructing the plasma facing material and the neutron multiplier due to its neutron multiplication ability and plasma compatibility. However, helium and deuterium, which are produced by nuclear transmutation reaction and in fusion environment and neutron irradiation make beryllium metals suffer from severe irradiation damage following the degradation of properties. Interaction of helium and irradiation damage may affect the microstructure and promote additional radiation hardening and embrittlement at low temperature. Meanwhile, helium-deuterium synergistic effects on irradiation damage need to be investigated. In this research, He and He/D ions would be used to irradiate beryllium metal, then high resolution transmission electron microscopy (HRTEM) and Nanoindentation would be applied to study the microstructure and irradiation hardening and embrittlement at low temperature, and explore the improvements method for irradiation hardening and embrittlement. The practical study includes: 1) Effects of He ion irradiation on microstructure and irradiation hardening of beryllium. 2) Effects of He-D synergy on microstructure and mechanical property. 3) Adding alloying elements, to invest the improvements method for irradiation hardening and embrittlement. This study will provide further insight in the effects of He、D on irradiation damage in beryllium metal, discuss irradiation damage mechanism of beryllium and explore further advanced materials for improved performance for longer term fusion reactor systems.

作为核聚变堆的关键候选中子增殖材料和面向等离子体材料，铍具有良好的中子倍增能力和等离子体相容性。但核聚变产生的高能中子以及核嬗变产生和等离子体注入的氦（He）、氘（D），使金属铍遭受严重的辐照损伤，进而导致力学性能恶化。低温下氦与辐照缺陷的相互作用影响微观结构并可能造成额外硬化和脆化。同时，He和D在辐照中的潜在协同效应尚不明确。本课题组采用He离子及He、D离子双束辐照金属铍，随后用高分辨透射电子显微镜和纳米压痕法研究了铍的微观结构变化及辐照硬化和脆性，并尝试提出辐照硬化和脆化的改善方法。具体内容包括：1）氦离子辐照对金属铍微观结构和辐照硬化的影响；2）氦氘离子协同辐照对金属铍微观结构和力学性能的影响；3）对金属铍进行合金化，研究改善辐照硬化和脆化的方法。本研究将进一步揭示氦氘对金属铍辐照损伤的影响，探讨金属铍的辐照损伤机制，以探索更先进的高性能的长期用于核聚变反应堆的关键材料。

金属铍具有很多优异的核性能，如大的热中子散射截面，可用于聚变反应堆第一壁面向等离子体材料，此外还能与中子发生（n, 2n）反应产生两个He和两个中子，也被选为氦冷氚增殖包层中的中子倍增剂。而在未来核反应堆环境中氦、氘、氢都会注入到材料中从而影响材料的微观结构进而大大降低材料的服役性能。为此本项目综合应用离子辐照、纳米压痕结合透射电子显微学方法，研究了氦氘协同辐照对金属铍微观结构和辐照硬化的影响，并探讨了合金化对于金属铍抗辐照能力的影响。研究成果主要有：. （1）完成了金属铍的辐照模拟实验，成功制备了透射电镜和纳米压痕力学测试样品，完成了金属铍辐照前的微观结构和力学性能测试分析。对铍材辐照前的组织结构进行了较细致的分析，包括晶粒尺寸，材料中的夹杂物，尤其值得指出的是对于晶内的析出物的细致分析有助于更新对金属铍内析出物的理解，对辐照前铍的力学性能如纳米硬度进行了测试分析。. （2）完成了金属铍的氦离子辐照，研究辐照对金属铍微观结构的影响，确定金属铍的辐照缺陷种类，并对各种缺陷结构进行系统研究包括六方晶系铍中位错环、气泡等；同时完成了氦离子辐照后的纳米压痕力学测试，并对金属铍的氦离子辐照前后的微观结构和力学性能进行系统的分析；完成氦氢协同辐照结合微观结构的原位动态观察研究了氦氢协同辐照效应对于材料点缺陷如间隙原子和空位运动的影响。. （3）完成了对金属铍的合金化，尝试制备了铍钛和铍钨合金，并对铍合金进行辐照实验，进行了辐照前后铍合金微观结构和力学性能的研究，探讨了合金化对金属铍微观结构和力学性能的影响。. 本研究结果不仅系统研究了金属铍的微观结构如析出物成分、结构，位错环柏氏矢量、类型等为未来聚变堆部件的应用提供重要参考，而且将丰富金属铍的研究，促进学科增长。