超临界水冷堆燃料包壳和堆内构件候选材料的辐照损伤研究

The Supercritical Water-cooled Reactor (SCWR) is one of the six reactor concepts being investigated under the framework of the Generation IV International Forum (GIF). The material selection for fuel cladding and reactor internals still remains one of the key issues of SCWRs. HR3C stainless steels have been selected as the main candidate materials for fuel claddings and reactor internals of CSR1000, which is the Chinese concept design of a 1000MW supercritical water-cooled reactor. However, few studies have been carried out on the irradiation resistance of HR3C stainless steels. At present, outside-reactor irradiation data are in urgent need, which would provide basic references for the design of in-pile neutron irradiations which will be performed at next development stage of CSR1000. In this project, the effect of heavy-ion irradiation on the microstructure of HR3C stainless steels will be investigated, including the produce of dislocation loops, void swelling, radiation-induced segregation (RIS). Irradiation hardening will also be investigated with nano-indentation and microstructure analysis. The project will provide experimental data and technical support for the material selection for fuel cladding and reactor internals of SCWR.

超临界水冷堆是第四代核能系统国际论坛选定研发的六种堆型之一。目前包壳材料和堆内构件的选材研究是超临界水冷堆的关键问题之一。中国也研发了自己的百万千瓦级超临界水冷堆的设计方案CSR1000，HR3C不锈钢已经被选定为CSR1000燃料包壳和堆内构件的主要候选材料。然而，关于HR3C不锈钢耐辐照性能的研究很少。目前急需堆外辐照数据，为下一阶段的堆内中子辐照方案提供参考。基于这一需求，本项目计划系统研究重离子辐照对HR3C不锈钢微观结构的影响，包括位错环产生、辐照肿胀、辐照偏析等，揭示其物理机制。并采用纳米压痕测试和微观结构分析相结合的方法研究辐照的硬化规律。这些研究将会为我国超临界水冷堆包壳材料和堆内构件的选材研究提供参考数据和技术支持。

超临界水冷堆中，包壳材料和堆内构件的选材已然成为该堆型研发的关键问题之一。严酷的高温辐照环境对材料的抗辐照性能提出了新的挑战。本项目针对两种不同改性方案的310S改性不锈钢（HR3C）进行了离子辐照损伤研究。一种为锆改性的钢SC-1，另一种为铌、钽和钨改性钢SC-2。通过对这两种材料辐照损伤后的分析，比较了两种材料的抗辐照性能，为超临界水冷堆选材问题提供了辐照损伤方面的参考数据。离子辐照研究发现，在相同的辐照条件下，与SC-1相比，SC-2中位错环平均尺寸更大，数密度更高；同时，SC-2中存在更多的空位型位错环，观察到了更严重的辐照肿胀。锆改性钢SC-1表现出了比铌、钽和钨改性钢SC-2更优秀的抗辐照性能。通过对两种材料中缺陷演化的比较与分析，本项目研究了不同种类的大尺寸添加元素在不同温度下对缺陷演化行为的影响，以及不同改性方案下元素的辐照析出行为。对两种材料的离子辐照损伤研究中发现，相比其它三种元素，锆有更强的促进点缺陷复合的作用，添加锆改性后减少了辐照产生的空位型缺陷、气泡和位错环的密度。而当辐照温度升高时，锆能促进空洞的长大，造成锆改性钢中空洞尺寸更大，数密度更小。研究还发现，在550℃辐照下，铌和钽会从材料中析出，而锆和钨会保留在晶格中，表明用锆作为添加的改性元素能更好地避免改性元素的辐照析出。