高温辐照下SiC中空洞型缺陷的形成机理研究

SiC has extensive application in nuclear systems, due to its excellent resistance to high temperatures and irradiation, low neutron activation cross sections. Voids induced by high temperature irradiation can lead to unsaturated swelling in SiC, and the accumulation of defects can enhance the diffusion of fission products. Therefore, it is crucial to study the mechanism of void formation. Compared with neutron irradiation, heavy ion irradiation has the advantages of higher dose rate and lower cost. To emulate the neutron irradiation, SiC with and without He bubbles are irradiated by heavy ions at 800°C and subsequently annealed at 1600°. Investigations on the formation and evolution of extended defects such as He bubbles, voids and dislocations, combined with the modeling of helium-vacancy interactions are employed to study the effects of He on the formation of void defects and the mechanism of void formation. The density and size of defects and the evolution of irradiation-induced swelling and strain are measured and compared with the results of previous neutron irradiation experiments, to evaluate the correlations between heavy ion irradiation and neutron irradiation in terms of swelling and damage production, which is important for the safety in the application of SiC in the advanced nuclear systems.

耐高温、抗辐照、低活化的SiC材料在各种核能系统中有广泛应用。高温辐照下SiC中空洞型缺陷会导致非饱和的辐照肿胀，且高温下辐照缺陷的累积可能导致其阻挡裂变产物迁移能力的下降，因此SiC中空洞型缺陷的形成机理非常重要。中子辐照实验成本高耗时长，重离子模拟中子辐照研究引起人们关注。本项目通过分别对SiC和含有He泡SiC进行800℃高温Si离子辐照和1600℃退火的方法，模拟中子辐照损伤，通过对SiC中各种缺陷（He泡、空洞和位错环等）形成及演变规律的观测，结合He和空位相互作用的理论模拟，研究He对空洞型缺陷形成的贡献，并探索SiC中空洞型缺陷的形成机理；通过测量实验各个阶段样品中缺陷类型、大小和密度，辐照肿胀以及应力的变化规律，与已有中子辐照实验数据对比讨论，开展高温辐照环境下重离子和中子在SiC中形成辐照肿胀和辐照缺陷的异同性讨论，对SiC在各种先进核能系统中的安全应用具有重要的意义。

碳化硅（SiC）具有优异的高温稳定性、低中子俘获截面和良好的耐辐照性能，是优良的耐高温的抗辐照材料，在燃料包壳以及聚变堆结构部件等有着重要的应用。在高温辐照环境下SiC中空洞型缺陷的形成机理以及其诱发的肿胀现象是具有重大科学意义和研究价值的课题。在高能中子辐照下，材料发生嬗变反应，在材料内部形成He和H等嬗变产物，这些嬗变产物能极大的影响空洞缺陷的形成和生长。目前国际上尚未建成聚变材料的辐照装置，材料的中子辐照均在裂变堆中进行，和裂变堆相比，聚变堆中的中子能量偏高，采用蒙特卡洛模拟方法，计算了SiC在不同中子辐照环境下嬗变产物的产生率，发现聚变环境下 He和H的产生率要高1-2个数量级，随后进行400摄氏度下120 keV He离子的注入实验，又在750摄氏度下引入4MeV的大注量的Kr离子辐照，在这个温度下，会有大量的空位缺陷留存，随后将样品在1600摄氏度下真空退火，研究在高温环境下，空位型缺陷和He离子的相互作用规律。结果表明，在空洞缺陷形成的早期，He能促进空洞的形成，但在He空洞缺陷的生长过程中，空位缺陷俘获He原子，形成较小的He泡，限制SiC中He原子的迁移，抑制大尺寸He泡的形成，该内容被收录至美国能源部年度项目报告中。为了讨论辐照环境下重离子和中子在SiC中形成辐照肿胀异同性，针对文献中SiC的常温中子辐照肿胀数据，开展了重离子对照实验，解释了为什么文献报道中没有观察到单晶和多晶碳化硅的中子辐照膨胀规律差异的原因。为了更深入的讨论中子辐照和重离子辐照的差异，模拟了中子和重离子与SiC的碰撞过程，结果发现1～10 MeV能量下重离子在SiC中产生的初级反冲谱接近于14 MeV中子的次级反冲能谱，据此设计了评估二者辐照损伤差异的新方法，为双束MeV重离子混合辐照模拟聚变反应堆中子辐照实验研究提供科学支撑。本项目目前已发表SCI论文4篇，培养博士1名，硕士2名，本科3名，在美国西北太平洋国家实验室完成一年的学术交流，参加多个学术会议，和国内外多家科研单位建立了良好的合作关系。