核反应堆模型钢FeCrNi微观缺陷结构及演变机理研究

Structural materials of reactor, such as reactor pressure vessels steels (RPVS), play an important role in light water reactors. To understand the irradiation effects in RPVS, the FeCrNi alloys will be investigated in this project as the main content of 316L stainless steel. The microstructure, defects’ configuration, irradiation effects of FeCrNi alloy, and the mechanism of migration for irradiation defects will be focused on and studied systematically by using positron annihilation spectroscope due to its characteristic talent in micro defect study, and by combination with SEM, TEM and SAXS etc. as analytical tools. Irradiation experiments will be carried out using high energy electron and heavy ion, such as iron and proton according to the research necessary. Some achievements based on the experimental discussion to material designing and mechanical property improving for RPVS will be expected in the project.

核反应堆结构材料的抗辐照性能是核设施安全稳定运行的基本保障。本项目以压力容器钢316L的主体材料FeCrNi模型钢为研究材料，主要针对合金内部微观缺陷的构型与材料性能的相互关系，通过FeCrNi合金中添加微量元素、高能电子和重离子辐照等实验，综合研究FeCrNi模型钢的辐照损伤特性及其微结构与材料宏观性能关联特点，分析讨论辐照损伤对材料的结构、力学性能和长期稳定性的影响。项目以研究金属与合金微观结构的特色方法正电子湮没技术为主要手段，结合电子显微方法和同步辐射SAXS等方法，表征材料辐照缺陷微观结构，研究合金中辐照缺陷的形成和变迁机制，从辐照过程中组织演变对结构性能的影响机制上探讨提高材料抗辐照合金化途径，为设计和开发新型核结构材料奠定实验基础。

本项目针对核反应堆用关键结构材料在强辐照环境下微观缺陷的演变行为及结构材料性能开展系统深入研究。为排除杂质元素的不确定性影响，项目采用成分简化的FeCrNi模型钢。系统研究了不同成分及其工艺处理下材料中微观缺陷的构型、缺陷回复和转化机制。主要研究内容和结论如下：.（1）系统表征了淬火/冷轧形变等工艺条件下FeCrNi模型钢中微观缺陷种类、浓度及转化过程。研究发现：高温淬火在模型钢中形成少量空位型缺陷，并随退火温度增加聚集形成大尺寸空位团然后逐步湮灭回复；673 K后空位型缺陷回复完毕。形变缺陷主要以位错型缺陷为主，研究中基于正电子的二态捕获模型，对形变导致的位错缺陷浓度进行了定量分析。.（2）对比研究了微量元素对材料微观缺陷演变及力学性质的影响。结果表明：少量掺杂的Mo元素容易与空位型缺陷相互作用，并改变空位缺陷处的元素分布，同时有效抑制空位缺陷的迁移和聚集长大过程。此外，微量Mo元素添加可有效增加合金硬度并改善材料的抗辐照硬化性能。.（3）系统研究了不同辐照条件下微观缺陷的形成与演变机制。低损伤剂量高能电子辐照主要形成少量的单空位和双空位缺陷；重离子辐照在低损伤剂量下可形成大量空位型缺陷，随着辐照剂量增加空位型缺陷浓度达到饱和；同时出现高密度的黑点缺陷，伴随辐照剂量进一步增加，黑点缺陷密度降低并聚集形成较大尺寸位错环。此外，材料中的纳米级位错结构可吸引辐照缺陷并抑制辐照缺陷的形成。等时退火研究发现：重离子辐照空位将在673 K退火过程完全恢复，而辐照导致的位错环则需要高于873 K的热处理温度。.（4）针对模型钢He离子辐照效应及He与缺陷相互作用机制开展系统研究。研究发现：He离子辐照导致材料中形成大量空位型缺陷，同时He原子容易与辐照空位相复合形成HenVm复合体结构，从而导致空位型缺陷有效浓度明显下降；高温辐照（573 K）可促进模型钢中辐照空位的聚集长大。位错缺陷的存在可有效抑制辐照缺陷的形成，并加速He原子的扩散。.（5）针对He辐照缺陷的演变回复机制与He脱附行为开展研究。结果表明：He辐照形成的自由空位在623 K温度退火后发生回复；HenVm复合体将在823 K退火后逐渐分解，其释放出的空位型缺陷迅速回复，而释放出的He原子部分迁移到材料表面发生脱附，另一部分则聚集形成He bubble并稳定存在，直至1300 K左右的热处理温度下才发生