石墨/熔盐界面的离子束混合及其对石墨辐照缺陷的影响

The exhaustion of fossil fuel makes the nuclear energy one of the most important energy sources available in the future. The molten salt reactor is believed to be a promising reactor type in the Generation IV reactor.There are several molten salt reactor development programs worldwide, and China started the Thorium molten salt reactor program in 2011. For the graphite moderator contacts with molten salt directly in the molten salt reactor, it is essential to understand the graphite/molten salt interface stability under irradiation. In this program we are going to irradiate graphite/molten salt interface with ion beam to study the ion beam mixing effect in the system. The effect of various irradiation parameters to the ion beam mixing such as the ion species, ion beam energy, temperature of the sample and the orientation of the graphite will be reseached. The chemical status and thermal stability of the ion beam mixed interface and the influence of the ion beam mixing to the irradiation induced defects in the graphite will be studied. By these studies, the mechanism of the ion beam mixing of the graphite/molten salt interface will be understood. The chemical status of the mixed interface and its stability will be known. And the infuence of the ion beam mixing to the graphite irradiation damage will be clarified. It will backup the safety of the molten salt reactor and management of ageing in graphite reactor cores; and it will also cumulate our knowledge in ion beam mixing mechanism and interaction mechanism of ion beam and condensed matter.

随着化石能源的枯竭，核能将成为未来能源的重要来源。熔盐堆被认为是未来最具发展潜力的反应堆堆型之一。而石墨与熔盐在辐照环境下的相容性一直是熔盐堆发展的重要课题。本课题拟用离子束辐照石墨/熔盐界面，研究离子束种类、离子束能量、样品温度以及样品取向对石墨/熔盐界面混合的影响，以理解离子束混合石墨/熔盐界面的机理，并用于评估在反应堆中石墨/熔盐界面的混合效应。通过研究离子束混合界面的化学形态及稳定性，明确离子束混合界面对反应堆运行安全的影响。最后通过对界面混合导致的石墨辐照损伤缺陷变化的研究，了解石墨与熔盐的混合对石墨的辐照损伤缺陷的运动、复合的影响，提高对石墨在辐照环境中的行为的理解，为未来熔盐堆的堆芯安全及寿命管理提供参考。

由于熔盐堆中的特殊的服役环境，核石墨在该环境中的相容性一直是熔盐堆发展的重要研究课题。本课题以熔盐堆中的核石墨为研究对象，研究核石墨与熔盐体系在反应堆服役条件下的行为，特别是在该体系中，熔盐在石墨中的浸渗产生的大量的石墨/熔盐界面，以及界面在辐照环境下的导致的界面混合、杂质元素在石墨中的扩散问题。.我们首先研究了不同核石墨在熔盐堆环境下的浸渗、石墨/熔盐界面的产生以及熔盐对石墨的影响。实验发现熔盐需要一定的压力才能浸入核石墨中。在较低的浸渗压强下，熔盐在石墨孔中成球状，与石墨形成的界面有限。但在较高的压强下，可产生大量的石墨/熔盐界面，并对石墨的结构产生一定的影响。用X射线衍射以及拉曼对比熔盐浸渗前后的石墨结构，发现熔盐的浸渗使核石墨中的微裂纹等缺陷减少了。.为研究在辐照环境下石墨/熔盐界面的混合效应以及熔盐组份元素在石墨中的扩散，我们采用100keV同位素分离器分别在核石墨及高定向热解石墨浅表面层注入F、Na、K等元素，再用不同剂量的He+等离子对样品进行辐照。用RBS、深度分辨的XPS、SIMS等方法分析了Na、K、F等元素分布随辐照剂量的变化，从而计算得到了这些元素在石墨中的扩散速率。结果表明，这些元素可以很快扩散至石墨骨料颗粒内部并对核石墨性质产生影响。.为研究熔盐浸渗以及杂质元素在石墨中的扩散对石墨性质的影响，我们研究了熔盐浸渗后对石墨热膨胀性质的影响。对比石墨的宏观热膨胀及其晶格热膨胀，表明熔盐浸渗产生的界面有力的相互作用，导致石墨的宏观热膨胀增大而其晶格热膨胀减小了。同时，我们还对比了核石墨以及高定向热解石墨中不同剂量、不同深度的XPS，实验结果表明，熔盐中的元素比如Na元素在石墨的晶格中可能存在化学结合。.综上所述本课题目前已较圆满完成立项时所提出的主要目标。