反应堆用不锈钢氦泡肿胀微观机理的正电子湮没谱学研究

With the development of nuclear power technologies, structural materials of nuclear reactor is researched widely in the world, especially for the stainless steel with radiation resistance under the special enviroment with high temperature, pressure and irradiation, and strong corrosion. This project will focusing to the helium embrittlement in the structural mateirals induced by neutron radiation. The metals of iron with bcc and nickle with fcc, Fe-based model alloys ,and stainless steel used in nuclear reactor will be selected in experiments to investigate the formation and thermomechanical behaviour of irradiation defects, migration of helium atoms and formation of helium bubbles. As key mechanism of helium bubble formation, the dynamic interaction of micro defects and helium atoms will be deeply analysed with the simulation experiments for neutron radiation damage by using the irradiaiont with high energy particles. Thermal desorption spectroscopy, positron annihilation specroscopy, will be used in experiment, and by associating with TEM,SEM and the microhardness tester etc as analytical tools. The achievements of experimental results and discussion based on this project will be expected to resist the helium embrittlement and for selection of structrual material used in nuclear reactor.

随着核电技术的发展，作为核反应堆结构材料的不锈钢成为核材料基础研究的热点,特别是针对高辐照、高温、高压力和强腐蚀环境下核结构材料的抗辐照特性的研究。本项目针对反应堆中子辐照引发结构材料的"氦脆"现象，选择金属Fe（bcc）、Ni（fcc）、Fe基合金模型钢和堆用不锈钢作为研究对象，从辐照缺陷的形成与热力学行为、氦原子的迁移和气泡化过程入手，深入研究微观缺陷与氦原子相互作用的微观机理。通过高能粒子辐照模拟辐照损伤效应的实验，分析讨论辐照缺陷与氦泡演变行为的微观物理机制。项目以灵敏探测材料表面热脱附气体的热脱附谱仪和研究合金微观结构的特色技术正电子湮没谱学为主要手段，结合电子显微方法和机械性能测试等技术，研究材料中氦泡的形成和演变机制，并从微观结构对材料性能的影响机制上探讨提高材料的抗"氦脆"途径，为堆用结构材料的选择提供实验基础。

具有良好的耐腐蚀性、耐高温、塑韧性、焊接性和抗辐照性能的铁基合金和不锈钢材料能作为核反应堆用的结构材料，并能在反应堆中极端环境（高温、高压环境和高能量高剂量的中子流）中使用。在极端恶劣环境中工作的结构材料遭受中子轰击，造成材料晶格内部产生大量的缺陷，而且还会伴随（n, α）核嬗变反应。产生的氦原子迁移能比较低，在材料内容易进行扩散直至被材料内的缺陷捕获，形成氦缺陷复合体结构。在高温环境下，氦缺陷复合体结构会逐步的演化形成结构稳定的氦泡，结构稳定的氦泡分布在材料内部，导致了材料脆性增加。除此之外，氦元素的存在也会导致材料肿胀、硬化、表面侵蚀、萌生裂纹甚至发生断裂，使得结构材料的机械性能失活，严重威胁反应堆的运行安全。研究结构材料内氦与缺陷相互作用的微观机理，对于理解氦原子迁移聚集、氦泡热演化形核过程以及探索开发新型抗辐照材料具有重要意义。本项目对铁基合金以及铁基不锈钢等材料中氦与微观缺陷相互作用机理进行分析研究，包括氦缺陷复合体形成以及其热力学演化过程、氦与缺陷相互作用下氦的迁移聚集、扩散、氦泡形核、氦的脱附等物理过程进行研究。论文主要研究内容和结论如下：.1).研究了不同能量氦原子辐照后的氦迁移聚集、扩散、氦泡形核以及氦脱附的行为。.2).对HenVm cluster热演化过程研究发现，随着退火温度的增加，样品内部空位会逐渐回复导致HenVm cluster高压超压的状态。.3).氢的辐照产生的空位使得HenVm cluster有了进一步的生长空间，导致演变为大尺寸结构稳定的HenVm cluster、Hen1Hn2Vm cluster或者氦泡。