發(fā)布時(shí)間：2020-03-29 07:52

【摘要】：低活化馬氏體鋼是未來商用核聚變堆的主要候選結(jié)構(gòu)材料,鎢是面向等離子體候選材料。在聚變堆環(huán)境下,低活化鋼在遭受中子輻照的過程中會(huì)受到嬗變反應(yīng)產(chǎn)生的氫、氦氣體原子的作用,而鎢則遭受氘氚等離子體和氦離子的輻照。本論文主要利用透射電子顯微鏡研究了氫、氦離子輻照下的低活化馬氏體鋼和鎢的輻照損傷。1、系統(tǒng)研究了低活化馬氏體鋼在不同溫度不同劑量下氦離子輻照產(chǎn)生的位錯(cuò)環(huán)。以往對(duì)低活化鋼中氦離子輻照的研究都集中在輻照腫脹的方面,較少的人關(guān)注氦離子輻照對(duì)材料中位錯(cuò)環(huán)的影響。我們發(fā)現(xiàn)低活化鋼在氦離子輻照下會(huì)產(chǎn)生大尺寸的位錯(cuò)環(huán),比在相同劑量的其它輻照條件(如中子、質(zhì)子和重離子輻照等)產(chǎn)生的位錯(cuò)環(huán)大很多。可能原因是：氦易與輻照過程中產(chǎn)生的空位形成He-V團(tuán)簇,從而使間隙原子聚集長(zhǎng)大形成尺寸大的位錯(cuò)環(huán)。發(fā)現(xiàn)輻照位錯(cuò)環(huán)的尺寸、數(shù)密度都會(huì)隨著輻照溫度和輻照劑量的變化而變化。我們還發(fā)現(xiàn)存在一個(gè)臨界溫度和臨界劑量,在臨界值附近,位錯(cuò)環(huán)類型會(huì)發(fā)生突變。2、在450℃下,我們通過改變離子注入順序,也即進(jìn)行氦離子單束、氫離子單束、He/H雙束先后離子和H/He雙束先后離子束輻照,研究了氫氦協(xié)同作用對(duì)低活化鋼中位錯(cuò)環(huán)的影響。H/He雙束先后離子束輻照產(chǎn)生的位錯(cuò)環(huán)的平均尺寸和數(shù)密度比相同輻照劑量的單束(He或H)離子輻照下的更大,而He/雙束先后輻照條件下產(chǎn)生的位錯(cuò)環(huán)的尺寸最大。這表明氫和氦在協(xié)同效應(yīng)中各自所發(fā)揮的作用是不同的。He原子更容易與空位形成He-V團(tuán)簇,進(jìn)而捕獲H形成He-H-V復(fù)合體。通過不斷地吸收H原子和打離間隙原子,大的He-H-V復(fù)合體得以形成,在自身附近捕獲SIAs,并且作為I-loops的形核點(diǎn)。結(jié)果,SIAs或I-loops可以通過吸收更多間隙原子而變得更大。3、系統(tǒng)研究了鎢在不同溫度以及不同劑量的氦離子輻照下氦泡的形核和長(zhǎng)大過程。我們發(fā)現(xiàn)低溫會(huì)抑制氦泡的成核,當(dāng)輻照溫度350℃時(shí),未發(fā)現(xiàn)氦泡的形成。500℃輻照時(shí),氦泡通過“沖出位錯(cuò)”機(jī)制形核長(zhǎng)大。高溫氦離子輻照時(shí),氦泡的平均尺寸會(huì)隨著氦離子的輻照溫度的增加而增大,而數(shù)密度會(huì)迅速的下降。在800℃時(shí),鎢中氦泡的平均尺寸會(huì)隨著輻照劑量的增加而不斷增大,而數(shù)密度會(huì)先減小后增加。可能是因?yàn)殒u中新注入的氦原子會(huì)被添加到原來已經(jīng)形成的氦泡里面從而使得氦泡長(zhǎng)大,同時(shí)還會(huì)使氦泡內(nèi)部壓強(qiáng)增大。4、系統(tǒng)研究了不同溫度和不同劑量的氫離子輻照下鎢中氫泡的形成和長(zhǎng)大過程。我們發(fā)現(xiàn)鎢在室溫下氫離子輻照后會(huì)產(chǎn)生位錯(cuò)環(huán),但是當(dāng)輻照溫度升到350℃時(shí),少量氫泡出現(xiàn)而位錯(cuò)環(huán)消失。高溫氫離子輻照時(shí),氫泡的平均尺寸會(huì)隨著氫離子的輻照溫度的增加而迅速增大,而數(shù)密度會(huì)先增加后減少。當(dāng)500℃輻照時(shí),氫泡通過“沖出位錯(cuò)”機(jī)制長(zhǎng)大。當(dāng)800℃輻照時(shí),氫泡會(huì)變得不穩(wěn)定或者移向表面消失使得氣泡的數(shù)密度會(huì)顯著的下降。在600℃不同劑量的輻照研究中,我們發(fā)現(xiàn)隨著輻照劑量的增加,氫泡的平均尺寸會(huì)先迅速增加后緩慢增加,而數(shù)密度會(huì)先變化很小后迅速增加。這是因?yàn)殡S著輻照劑量的增加小的H-V團(tuán)簇有機(jī)會(huì)聚集長(zhǎng)大,從而使得氣泡的數(shù)密度基本上保持不變。直到輻照劑量增至2.25×1021/m2,氣泡的數(shù)密度增加而尺寸不變大,可能是因?yàn)楫?dāng)氣泡尺寸增加的時(shí)候氣泡內(nèi)壓降低,使得它們停止長(zhǎng)大。5、通過改變氫、氦離子輻照順序、輻照溫度等因素,研究了氫氦之間協(xié)同作用對(duì)鎢中輻照腫脹的影響。我們發(fā)現(xiàn)與單束(氦離子或氫離子)輻照相比,雙束He/H先后輻照產(chǎn)生的氣泡的數(shù)密度會(huì)明顯增多。在500℃和800℃下雙束He/H先后離子束輻照產(chǎn)生的氣泡的平均尺寸比單束氦離子或氫離子輻照產(chǎn)生的氣泡的平均尺寸都小,而在600℃下,雙束He/H先后離子束輻照產(chǎn)生的氣泡的平均尺寸比單束氦離子的平均尺寸略大。
【圖文】：

核反應(yīng)包括核裂變和核聚變。核裂變是指重元素（如鈾、钚等）中的某些核素（如逡逑２３３Ｕ、２３５Ｕ和２３９Ｐｕ、２４ｉｐｕ等）在中子的轟擊下會(huì)發(fā)生原子核分裂，放出巨大的逡逑能量的過程，此過程釋放的能量稱之為裂變能，如圖１．１（ａ）。反之，核聚變是指逡逑輕元素（如１Ｈ和２Ｄ或３Ｔ等）的不同核素或異種輕元素（氫和氦等）的不同核逡逑素之間發(fā)生聚合反應(yīng)并放出大量能量的過程。此過程釋放的能量稱之為聚變能，，逡逑如圖邋１．１（ｂ）。逡逑Ｉ逡逑０邋＾（９逡逑：邋八邐／邋ｄｉ逡逑－ＫｒＣｌ逡逑ｙ邋｜＼邐Ｑ邋Ｍｅ邋＋邋３．５邋ＭｅＶ逡逑（？）邋ｎ邋＋邋１邋“邋Ｍ邋？逡逑圖１．１典型的（ａ）核裂變和（ｂ）核聚變反應(yīng)示意圖逡逑從上世紀(jì)５０年代第一顆氫彈引爆的時(shí)候，科學(xué)家就意識(shí)到了核聚變的力量，逡逑產(chǎn)生聚變能的科學(xué)可行性已在磁約束聚變裝置托卡馬克Ｔｏｋａｍａｋ邋（圖１．２）上得逡逑到了證實(shí)。為了實(shí)現(xiàn)聚變能的應(yīng)用，多個(gè)國(guó)家參與和實(shí)施的國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆逡逑計(jì)劃，簡(jiǎn)稱ＩＴＥＲ計(jì)劃，投資超過１００億人民幣，目標(biāo)是建造一個(gè)利用磁約束實(shí)逡逑．邐現(xiàn)核聚變的托卡馬克裝置從而實(shí)現(xiàn)聚變能的使用［１１］。圖１．３是我國(guó)核聚變示范逡逑堆發(fā)展時(shí)間表［１２］。長(zhǎng)期以來，我國(guó)在不斷發(fā)展核聚變。２０１２年東方超環(huán)（ＥＡＳＴ）逡逑實(shí)驗(yàn)成功。中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（ＣＦＥＴＲ）預(yù)計(jì)在２０２０年開始建造，２０２６年開始逡逑放電。聚變能是一種理想核能，使用時(shí)不會(huì)像裂變反應(yīng)過程中一樣產(chǎn)生強(qiáng)放射性逡逑廢物等污染環(huán)境；其原料取自于海水

如果這種理想核能得到有效利用還存在非常多的技術(shù)難題，聚變反應(yīng)堆中材料的逡逑選擇就是其中最大的問題之一，尤其是第一壁結(jié)構(gòu)材料和面向等離子體材料。逡逑＿逡逑圖１．２托卡馬克Ｔｏｋａｍａｋ裝置逡逑商州聚變堆，ＣＴＲ逡逑■邋ｔｒ邋＂＂“逡逑ＤＥＭＯ聚變堆逡逑１１逡逑丨：z實(shí)驗(yàn)聚變堆，ＥＴＲ逡逑■邋ｔｒ邋ｔ逡逑ＩＴＥＲ邋（燃燒等離、｛本）｜邋Ｉ邋ＩＦＭ１Ｆ邋Ｉ逡逑邐邐逡逑ＨＬ－２Ａ邋ＥＡＳＴ逡逑Ｊ邐Ｉ邐Ｉ邐Ｉ邐Ｌ＿＾逡逑２０００邐２０１３邋２０２５邋２０３５邋２０５０逡逑圖１．３中國(guó)核聚變示范堆發(fā)展時(shí)間表［１２］逡逑從反應(yīng)堆設(shè)計(jì)選材方面考慮，核能具有能量密集，福射強(qiáng)度大以及運(yùn)行環(huán)境逡逑嚴(yán)茍等特點(diǎn)［１３］：逡逑首先核能具有能量密集的特點(diǎn)。核裂變和核聚變反應(yīng)都能產(chǎn)生巨大的能量，逡逑而聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量還會(huì)高出裂變堆中同等質(zhì)量鈾的３倍。因而可以發(fā)現(xiàn)，裂逡逑變堆和未來聚變堆的堆芯都是能量密集的反應(yīng)爐。這些都意味著堆芯的功率密度逡逑很高，燃料和堆芯材料都處于很高的工作溫度中。逡逑３逡逑
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TL341

【參考文獻(xiàn)】

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1 張一鳴;曾麗萍;沈欣媛;張利;丁亞清;肖成馨;康衛(wèi)紅;王海;;ITER計(jì)劃與聚變能發(fā)展戰(zhàn)略[J];核聚變與等離子體物理;2013年04期

2 丁孝禹;李浩;羅來馬;黃麗枚;羅廣南;昝祥;朱曉勇;吳玉程;;國(guó)際熱核試驗(yàn)堆第一壁材料的研究進(jìn)展[J];機(jī)械工程材料;2013年11期

3 姜少寧;萬發(fā)榮;龍毅;劉傳歆;詹倩;大尗`忝

本文編號(hào)：2605690