鎢和鉬中的位錯環形成及演化機制

鎢因有極低的濺射率和氚滯留率、較高的熔化溫度和熱導率以及優異的抗濺射腐蝕性能等特點,而成為聚變反應堆中面向等離子體材料的主要候選材料。而鉬憑藉著具有優異的耐高溫性能、較高的強度和熔點、良好的導電導熱性等特點,也成為了快中子反應堆、聚變堆、空間堆等新型核能系統的候選材料。但是這並不意味著它們不會受到核輻射的影響。長時間在核輻射環境中工作的鎢和鉬材料,不僅理化性能會變差,而且使用時間也會有所縮短。

聚變反應堆面向等離子體材料圖片

當材料暴露於輻照環境中時,載能粒子與材料晶格中的原子將相互作用產生基本缺陷,即間隙原子和空位。然而,在熱效應、級聯碰撞、應力等作用下它們將演化為間隙/空位位錯環、空洞、氣泡和堆垛錯四面體等輻照缺陷,進而會導致核構件的性能惡化和使用壽命下降。其中,位錯環是導致材料硬化、脆化、膨脹和蠕變的主要原因。注意:位元錯環是一種晶體內線缺陷,但並不是由單一的螺型位錯或刃型位錯構成,而是一種由於位錯運動而產生的環狀位錯。

鎢和鉬材料同為體心立方晶體結構材料,在輻照過程中主要產生1/2<111>位錯環和<100>位錯環,進而將影響材料的塑性變形,導致材料的使用壽命下降。因此,研究位錯環的形成、演化、影響因素及其相關機理,對於評估核材料在輻照環境中的服役壽命以及發展輻照行為理論具有重要意義。

近期,廈門大學能源學院冉廣教授課題組利用搭建的世界先進的三離子束與透射電子顯微鏡連線設施,在氦離子輻照過程中原位研究了鎢和鉬中的位錯環演化行為與機制,輻照位錯環與預先位錯線相互作用過程,以及輻照劑量、輻照溫度、樣品厚度以及預先位錯線對<100>位錯環演化的影響及相關機制。同時,中國核動力研究設計院設計所的孫志鵬博士等利用分子動力學模擬分析了預先位錯線與位錯環相互作用過程;湖南大學鄧輝球教授等採用分子動力學解釋了氦團簇致1/2<111>和<100>位錯環形成機制。

鎢和鉬中的位錯環形成及演化機制圖片

分子動力學類比實驗顯示:高密度氦團簇之間的相互作用會刺激被輻照的鎢中<100>位錯環的形成。<100>位錯環的形成驅動力還歸因於1/2<111>環變體長時間在高溫輻射下的反應。而先前存在的位錯線對位錯環的大小,密度和Burgers向量具有深遠的影響。此外,在離子輻照過程中,輻照引起的缺陷很可能會被薄箔的表面沉陷吸收,導致在表面附近形成裸露區域。輻照缺陷演化的原位觀察將使人們對聚變反應堆中使用的鎢的輻照損傷過程有一個更好的基本瞭解。

研究表明:隨著氦通量的增加,鉬中的位錯環的體積數密度迅速增加,然後緩慢下降至飽和值,而位錯環的平均尺寸連續增加直至達到上限,形成1/2<111>和<100>位錯環。此外,現有的位錯線將抑制位錯環的形核和生長,而輻射誘導的位錯環對位錯線有很強的固定作用並阻礙其運動。而位元錯網路的形成是由預先存在的位錯線和輻照引起的位錯環的協同作用促進的。

 

 

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