钨和钼中的位错环形成及演化机制

钨因有极低的溅射率和氚滞留率、较高的熔化温度和热导率以及优异的抗溅射腐蚀性能等特点，而成为聚变反应堆中面向等离子体材料的主要候选材料。而钼凭借着具有优异的耐高温性能、较高的强度和熔点、良好的导电导热性等特点，也成为了快中子反应堆、聚变堆、空间堆等新型核能系统的候选材料。但是这并不意味着它们不会受到核辐射的影响。长时间在核辐射环境中工作的钨和钼材料，不仅理化性能会变差，而且使用时间也会有所缩短。

当材料暴露于辐照环境中时，载能粒子与材料晶格中的原子将相互作用产生基本缺陷，即间隙原子和空位。然而，在热效应、级联碰撞、应力等作用下它们将演化为间隙/空位位错环、空洞、气泡和堆垛错四面体等辐照缺陷，进而会导致核构件的性能恶化和使用寿命下降。其中，位错环是导致材料硬化、脆化、膨胀和蠕变的主要原因。注意：位错环是一种晶体内线缺陷，但并不是由单一的螺型位错或刃型位错构成，而是一种由于位错运动而产生的环状位错。

钨和钼材料同为体心立方晶体结构材料，在辐照过程中主要产生1/2<111>位错环和<100>位错环，进而将影响材料的塑性变形，导致材料的使用寿命下降。因此，研究位错环的形成、演化、影响因素及其相关机理，对于评估核材料在辐照环境中的服役寿命以及发展辐照行为理论具有重要意义。

近期，厦门大学能源学院冉广教授课题组利用搭建的世界先进的三离子束与透射电子显微镜联机设施，在氦离子辐照过程中原位研究了钨和钼中的位错环演化行为与机制，辐照位错环与预先位错线相互作用过程，以及辐照剂量、辐照温度、样品厚度以及预先位错线对<100>位错环演化的影响及相关机制。同时，中国核动力研究设计院设计所的孙志鹏博士等利用分子动力学模拟分析了预先位错线与位错环相互作用过程；湖南大学邓辉球教授等采用分子动力学解释了氦团簇致1/2<111>和<100>位错环形成机制。

分子动力学模拟实验显示：高密度氦团簇之间的相互作用会刺激被辐照的钨中<100>位错环的形成。<100>位错环的形成驱动力还归因于1/2<111>环变体长时间在高温辐射下的反应。而先前存在的位错线对位错环的大小，密度和Burgers向量具有深远的影响。此外，在离子辐照过程中，辐照引起的缺陷很可能会被薄箔的表面沉陷吸收，导致在表面附近形成裸露区域。辐照缺陷演化的原位观察将使人们对聚变反应堆中使用的钨的辐照损伤过程有一个更好的基本了解。

研究表明：随着氦通量的增加，钼中的位错环的体积数密度迅速增加，然后缓慢下降至饱和值，而位错环的平均尺寸连续增加直至达到上限，形成1/2<111>和<100>位错环。此外，现有的位错线将抑制位错环的形核和生长，而辐射诱导的位错环对位错线有很强的固定作用并阻碍其运动。而位错网络的形成是由预先存在的位错线和辐照引起的位错环的协同作用促进的。

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