用正电子湮没谱学研究辐照缺陷的自修复机理

Developing advanced nuclear energy systems depends crucially on the improved understanding of radiation-damage processes in reactor materials. With the background of self-healing of the radiation-induced damage, we will study the radiation effects and the dependence of resistance to irradiation damage on specific area of grain boundaries by the experiment methods of positron annihilation lifetime spectroscopy and coincident Doppler braodening spectroscopy, high-resolution electron microscopy, united equipment of accelerator-electron, X-ray diffraction, and by theoretical calculation of first-principles and molecular dynamics simulations. Analyse the type, size, concentration of defects in samples induced by electron irradiation, proton irradiation and helium ion implantation. The effects of the grain boundaries in single- and two-phases materials on defect formation energy and migration barrier will be studied. Research the mechanism of defects self-healing phenomenon. The evolution from production, migration to recombination of irradiation defects can be researched with computer simulation in order to understand structure in materials under a various of irradiations. We can deduce the equilibrium concentration of defects during irradiation. We will research the irradiation defect structure and the mechanism of defects evolution there exist hydrogen and helium simultaneously in samples, and explore the condition of the self-healing behavior work. The achievement of the project will supply experimental data and theoretical proof for exploring significantly higher radiation tolerance materials, and it is profoundly significant to design structure materials for advanced nuclear energy systems.

先进核能系统的发展依赖于人们对反应堆材料的辐照损伤过程的进一步了解。本项目以纳米结构材料的缺陷自修复行为为背景，采用正电子湮没寿命谱和符合多普勒展宽谱、高分辨电子显微镜、加速器-电镜联机、X射线衍射等分析手段，并结合第一性原理计算和分子动力学模拟，研究几种材料的辐照效应,以及晶粒大小和抗辐照能力的关系；分析电子、质子和氦离子辐照缺陷种类、大小、浓度。研究单质材料晶界和复合材料中双相界面对缺陷形成能、缺陷迁移势垒的影响和差别。探索纳米材料的辐照缺陷自修复行为的物理机制。通过计算机模拟和理论推导，研究纳米材料中电子辐照缺陷的产生、迁移和湮灭的演化规律,了解不同辐照剂量率条件下材料结构的变化；研究氢和氦协同作用下纳米材料的辐照效应及辐照缺陷产生、迁移与湮灭机理。本项目研究结果对探索新型抗辐照材料研究提供重要的实验数据和理论依据，对新型核能系统结构材料设计有重要意义。

以不同方法制备纳米合金粉为原料，以压制法制备的纳米固体铜、纳米固体锌和纳米固体铝为研究对象，主要使用正电子湮没寿命谱、STM，X射线衍射等实验方法，研究纳米金属固体中的缺陷结构，特别是晶界的微结构。着重讨论纳米固体在等温退火（即老化）和等时退火过程中的微结构演化。讨论了晶界中分布的氧化物对纳米固体结构热稳定性的影响。用正电子湮没寿命谱研究了纳米金属固体的塑性形变机制以及纳米固体中的缺陷对塑性形变的影响。通过计算模拟了纳米铜中辐照缺陷与Σ=11(113)界面的相互作用过程，探讨辐照缺陷的自修复机理。主要的研究结果如下：.1.辐照缺陷自修复机理研究。研究结果显示辐照过程中产生的点缺陷从能量上都倾向于向晶界区域扩散，同时间隙扩散的速率要快一些，先于空位到达界面。而且，一旦间隙扩散到了界面，不管是单个间隙原子或者是形成了间隙团，都很容易被界面重新发射出来与体相的空位复合，从而实现了点缺陷的自修复。因此，Σ=11（ 113）的晶界能够明显提高抗辐照性。这也是晶界浓度很高的纳米材料具有更强抗辐照能力的原因。.2. 对不同压力下制备的纳米Cu和纳米Al固体的研究结果表明：制备压强大，则大空位团的大小和浓度都较小。但压强对样品中的小缺陷影响不大。低温老化过程中，纳米晶粒尺寸仅仅缓慢增加。退火的初始阶段晶粒粒径有所减小，随着退火温度的提高，粒径又会增加。实验还发现晶界氧化物对空位团的分解和晶粒径长大有阻碍作用。退火不能完全消除压制的纳米固体样品中缺陷。.3. 正电子湮没寿命谱对纳米固体锌的塑性形变过程的研究表明，纳米固体锌的塑性形变是由晶界的滑移和晶界旋转主导的。410ºC退火后的塑性形变规律和传统多晶体锌的塑性形变一样，都是通过位错的产生和运动来实现的。晶界中的空位缺陷对晶界的迁移扩散运动有阻碍作用。退火处理可以消除一部分空位缺陷，同时促使晶粒生长。晶界中引入的第二相物质可以抑制晶粒生长。