【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受到嬗變反應產(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)生的位錯環(huán)。以往對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)注氦離子輻照對材料中位錯環(huán)的影響。我們發(fā)現(xiàn)低活化鋼在氦離子輻照下會產(chǎn)生大尺寸的位錯環(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)生的位錯環(huán)大很多�？赡茉蚴牵汉ひ着c輻照過程中產(chǎn)生的空位形成He-V團簇,從而使間隙原子聚集長大形成尺寸大的位錯環(huán)。發(fā)現(xiàn)輻照位錯環(huán)的尺寸、數(shù)密度都會隨著輻照溫度和輻照劑量的變化而變化。我們還發(fā)現(xiàn)存在一個臨界溫度和臨界劑量,在臨界值附近,位錯環(huán)類型會發(fā)生突變。2、在450℃下,我們通過改變離子注入順序,也即進行氦離子單束、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)同作用對低活化鋼中位錯環(huán)的影響。H/He雙束先后離子束輻照產(chǎn)生的位錯環(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)生的位錯環(huán)的尺寸最大。這表明氫和氦在協(xié)同效應中各自所發(fā)揮的作用是不同的。He原子更容易與空位形成He-V團簇,進而捕獲H形成He-H-V復合體。通過不斷地吸收H原子和打離間隙原子,大的He-H-V復合體得以形成,在自身附近捕獲SIAs,并且作為I-loops的形核點。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大過程。我們發(fā)現(xiàn)低溫會抑制氦泡的成核,當輻照溫度350℃時,未發(fā)現(xiàn)氦泡的形成。500℃輻照時,氦泡通過“沖出位錯”機制形核長大。高溫氦離子輻照時,氦泡的平均尺寸會隨著氦離子的輻照溫度的增加而增大,而數(shù)密度會迅速的下降。在800℃時,鎢中氦泡的平均尺寸會隨著輻照劑量的增加而不斷增大,而數(shù)密度會先減小后增加�？赡苁且驗殒u中新注入的氦原子會被添加到原來已經(jīng)形成的氦泡里面從而使得氦泡長大,同時還會使氦泡內(nèi)部壓強增大。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大過程。我們發(fā)現(xiàn)鎢在室溫下氫離子輻照后會產(chǎn)生位錯環(huán),但是當輻照溫度升到350℃時,少量氫泡出現(xiàn)而位錯環(huán)消失。高溫氫離子輻照時,氫泡的平均尺寸會隨著氫離子的輻照溫度的增加而迅速增大,而數(shù)密度會先增加后減少。當500℃輻照時,氫泡通過“沖出位錯”機制長大。當800℃輻照時,氫泡會變得不穩(wěn)定或者移向表面消失使得氣泡的數(shù)密度會顯著的下降。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,氫泡的平均尺寸會先迅速增加后緩慢增加,而數(shù)密度會先變化很小后迅速增加。這是因為隨著輻照劑量的增加小的H-V團簇有機會聚集長大,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,可能是因為當氣泡尺寸增加的時候氣泡內(nèi)壓降低,使得它們停止長大。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）核聚變反應示意圖逡逑從上世紀５０年代第一顆氫彈引爆的時候，科學家就意識到了核聚變的力量，逡逑產(chǎn)生聚變能的科學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。為了實現(xiàn)聚變能的應用，多個國家參與和實施的國際熱核聚變實驗堆逡逑計劃，簡稱ＩＴＥＲ計劃，投資超過１００億人民幣，目標是建造一個利用磁約束實逡逑．邐現(xiàn)核聚變的托卡馬克裝置從而實現(xiàn)聚變能的使用［１１］。圖１．３是我國核聚變示范逡逑堆發(fā)展時間表［１２］。長期以來，我國在不斷發(fā)展核聚變。２０１２年東方超環(huán)（ＥＡＳＴ）逡逑實驗成功。中國聚變工程實驗堆（ＣＦＥＴＲ）預計在２０２０年開始建造，２０２６年開始逡逑放電。聚變能是一種理想核能，使用時不會像裂變反應過程中一樣產(chǎn)生強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實驗聚變堆，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中國核聚變示范堆發(fā)展時間表［１２］逡逑從反應堆設計選材方面考慮，核能具有能量密集，福射強度大以及運行環(huán)境逡逑嚴茍等特點［１３］：逡逑首先核能具有能量密集的特點。核裂變和核聚變反應都能產(chǎn)生巨大的能量，逡逑而聚變反應產(chǎn)生的能量還會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
【學位授予單位】：武漢大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TL341

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前8條

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;;國際熱核試驗堆第一壁材料的研究進展[J];機械工程材料;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：2605690