同步辐射技术研究核能结构材料中的氢/氦泡

Hydrogen and helium bubbles in the nuclear structural materials will degrade the mechanical properties due to the swelling, embrittlement, hardening and so on. The hydrogen/helium behavior have been one of the most important research topics for the development of advanced nuclear energy systems and the application of structural materials. Transmission electron microscopy (TEM) and thermal helium desorption spectrometry (TDS) are commonly used to detect hydrogen and helium bubbles in materials. However, there are many limitations and disadvantages to analysis the formation, evolution and distribution of the hydrogen and helium bubbles in the micron level depth range. X-ray based high-performance synchrotron radiation light source is a nondestructive detection technique with high penetrating power and high resolution. In this project, the X-ray imaging will used to detect the hydrogen/helium swelling behavior in the micron level depth range for the W based alloy and ODS steels. In situ X ray - implanter interface facility in Beijing Synchrotron Radiation Facility will be established to study the evolution behavior and micro-mechanism for hydrogen/helium bubbles under multi coupling fields such as temperature, stress and irradiation by small-angle X-ray scattering, grazing-incidence small angle X-ray scattering (GISAXS) and X-ray imaging technology.

核能结构材料中辐照形成的氢/氦泡，是导致材料肿胀、脆化和硬化等机械性能恶化的主要因素，针对这个基础科学问题的研究已经成为先进核能系统中结构材料发展和应用过程中最重要的研究课题。通常采用透射电镜、热脱附谱等实验方法研究材料中氢/氦泡，具有小样品尺寸效应、表面或局域信息等不确定因素的局限，特别是在材料微米量级以上的深度范围内分析和表征微纳米尺寸的氢/氦泡的形成、演化和分布等微观结构信息，缺乏有效的研究方法和技术。本项目选择W基合金、ODS钢等先进核能系统中的候选结构材料作为研究对象，利用基于高性能的同步辐射光源X射线较高穿透本领、高分辨率且无损探测技术，拟研究氢、氦在微米深度区域的行为和肿胀规律。通过在北京同步辐射装置上组建在线离子注入设备，利用X射线小角散射、掠入式小角散射和成像等技术，开展氢/氦在温度、应力、辐照等多耦合场下的演变行为，研究氢泡、氦泡的演变过程和微观机理。

核能结构材料中辐照形成的氢/氦泡，是导致材料肿胀、脆化和硬化等机械性能恶化的主要因素，针对这个基础科学问题通常采用的透射电镜、热脱附谱等实验方法进行研究，然而由于透射电镜具有小样品尺寸效应、表面或局域信息等不确定因素的局限，同步辐射X 射线的分辨率在纳米量级，而氢、氦在金属材料中可形成微纳米尺寸范围的气泡，因此本项目选择W基合金、ODS钢等先进核能系统中的候选结构材料作为研究对象，应用高性能同步辐射光源的 X 射线技术研究了W基合金和ODS钢中氢泡和氦泡演化行为和微观机理。首先采用多种能量的氢/氦离子在ODS钢以及W基合金中形成了微米级深度范围内的近似均匀的氦浓度分布，通过一系列的实验方案设计，针对随着辐照剂量和辐照温度的增加材料中氢/氦泡的萌生和演变过程进行表征。并且采用高性能的同步辐射X射线小角散射、掠入射X射线衍射以及X射线纳米分辨成像技术对氢/氦泡等肿胀结构进行了分析。此外，基于未来采用同步辐射技术研究核能结构材料中的微观结构的设想，我们进行了一系列设备装置的预研与购置工作，完成了低能氢/氦离子注入机的安装调试并利用它为本项目近表面区域氢/氦泡的演化研究做了辐照基础；成功实现了在原位温度场下进行样品的拉伸实验等力学性能测试。此外，借助北京同步辐射装置、正电子湮没谱学装置以及热脱附谱装置、扫描以及透射电镜，实现了从辐照初期的点缺陷的测量到中期氢/氦与基体中微观缺陷（空位、位错以及析出物、晶界等）的相互作用的相关表征分析，再到氢氦泡以及空腔等氢/氦辐照肿胀结构的在尺寸上及浓度上的分布，建立了一套较为完备的核结构材料的微观缺陷以及嬗变氢/氦的多尺度表征方法，为未来同步辐射装置进行核结构材料的辐照缺陷、抗辐照合金组分优化实验以及机械性能测试的联机在线复合研究打下了重要基础。