核材料辐照损伤协同效应的研究

通过拉曼光谱、沟道背散射、原子力显微镜、透射电子显微镜、红外光谱等一系列测试手段对Zr O2,Si C和ODS钢三种核材料的多束辐照行为进行表征,研究离子束的协同效应对核材料辐照损伤的影响。Zr O2双束辐照肿胀和损伤是两个单束辐照的线性叠加,Si C双束同时辐照的拉曼光谱比双束先后辐照有更大的主峰半高宽的变化,ODS钢的三束辐照有最大的肿胀和硬化。综合分析得出双束同时辐照比先后辐照具有更明显的协同效应,三束辐照ODS钢的损伤最严重,比三个单束损伤之和大,Si离子与He,H的协同效应最明显。多束辐照能较好地模拟实际反应堆中的辐照环境。这些研究结果对于核材料在实际反应堆中的中子辐照行为具有一定的参考意义。     

载能离子辐照的ODS铁素体钢硬化效应的研究

研究了氧化物弥散强化(ODS) 的3 种铁素体钢,包括: 19Cr-3.5Al ODS钢(MA956),16Cr-0.1TiODS和16Cr-0.1Zr ODS铁素体钢,在多能量的氦离子和MeV能量级的Bi、Xe 离子辐照条件下的硬化效应。获得了辐照硬化与原子离位损伤水平(dpa)、He 注入浓度的关系。结果表明,材料的硬度在低剂量范围会随着辐照剂量迅速增加,而在高剂量范围材料的硬度逐渐趋于饱和,可以用1/2 次的幂函数拟合辐照硬化与离位损伤水平之间的关系。不同入射离子——Bi离子和Xe离子都会引起ODS 钢的硬化,而氦离子还会在材料中聚集导致氦泡的形成,造成更加明显的硬化。实验证明,Ti 或Zr 掺杂的16Cr-ODS 铁素体钢较19Cr-3.5AlODS钢具有更强的抗辐照硬化能力,原因可归于其含有更高数密度的细小氧化物粒子——能够有效俘获点缺陷和氦原子,从而有效抑制晶粒内部和晶界出缺陷的长大。The present work investigates the irradiation hardening of ODS ferritic steels after multi-energy Heion implantation, or energetic Bi-ion and Xe-ion irradiation, to get an understanding of dependence of irradiationhardening on atomic displacement damage and gas accumulation. Three kinds of high-Cr ODS ferritic steels including the commercial MA956 (19Cr-3.5Al), the 16Cr-0.1Ti and the 16Cr-0.1Zr ODS ferritic steels were used.The results show that the hardness increases rapidly at the lower doses but tends to saturate at the higher dose.An 1/2-power law dependence on dpa value is obtained. Helium implantation contributes significantly to the irradiation hardening, possibly due to the impediment of the motion dislocations by helium bubbles. 16Cr-ODS (Ti or Zr added) ferritic which contains finer oxide particles in higher number density shows higher resistance to irradiation hardening than the MA056.     

低能质子辐照ZnO/silicone白漆产生微观损伤的红外光谱研究

 通过空间综合辐照模拟设备对能量小于200 keV质子辐照下ZnO/silicone白漆光学性能变化及损伤机理进行研究。结果表明,ZnO/silicone白漆的光学性能退化主要发生在可见光区,太阳吸收比随质子辐照能量、注量的增加而增大。借助傅里叶变换红外光谱分析技术研究了质子辐照ZnO/silicone白漆时有机硅树脂的光学性能退化机理。质子辐照使ZnO/silicone白漆中游离氧含量增加,氧化硅原子上的有机取代基使Si—C链断裂,并生成活性羟基,而这种活性羟基能促使有机硅树脂内Si—O—Si键的裂解。同时Si—O—Si链内氧原子未成键的孤对电子与邻近硅原子的3d空轨道配位,降低了π*轨道的能量,提高了对光吸收的几率,增强了n→π*电子跃迁,使吸收带红移,从而导致ZnO/silicone白漆光学性能退化。     

聚变堆候选金属材料的惰性气体离子辐照损伤的研究

综述了有关核聚变反应堆材料的辐照损伤问题的研究,主要包括国产316L奥氏体不锈钢中氦的扩散与氦泡形核生长的研究、316L及低活化FeCrMn合金的高能Ar离子辐照缺陷与空洞肿胀的研究、近期开展的低活化马氏体钢和氧化物颗粒弥散强化合金的高能Ne离子辐照损伤和效应的研究成果。This paper gives a review of our recent studies on the irradiation damage induced by energetic inert-gasions in metallic materials candidate to fusion reactors. The work includes the study of helium diffusion and helium bubble formation in 316L stainless steels, the study of void formation and swelling in the low-activation Fe-Cr-Mn alloy irradiated with high-energy Ar ions, the study of irradiation damage in some low-activation Fe-based steels and ODS alloys by high-energy Ne ions.     

电子辐照对ZnO/K_2SiO_3型热控涂层光学性能的影响

研究了电子辐照对 Zn O/K2 Si O3 型热控涂层光学性能的影响。采用 1 0 ,3 0 ,50和 70 ke V的电子对试样进行辐照。在辐照前后对每一个试样的光谱反射系数进行了原位测量。根据 Johnson太阳光谱分布计算了涂层的太阳光谱吸收系数。分析了电子能量对光谱反射系数和太阳光谱吸收系数的影响 ,并对红外区光谱反射系数的变化结果进行了讨论。实验结果发现电子辐照后 Zn O/K2 Si O3 涂层的光学性能发生严重退化 ,退化程度取决于电子能量 ,随电子能量的增大而增大。     

榍石的冲击高压行为与辐照损伤效应对比研究

高压和辐照这两种极端条件会造成晶体材料的晶体结构发生改变或损伤。以榍石(CaTiSiO_5)为研究对象,利用冲击高压和样品回收技术,探索冲击高压作用后结构的变化规律,并与辐照造成的损伤榍石作对比研究,认识冲击高压与辐照造成榍石结构损伤的异同。研究表明:冲击高压作用下,晶态的榍石出现结构损伤和非晶化,出现类似于榍石的辐照损伤现象,但具体过程和受损的晶体结构有明显不同。具体表现为:X射线衍射、红外和拉曼光谱的特征峰强度减弱,谱线变宽,细节丢失;冲击高压导致晶态榍石拉曼光谱的Ti–O伸缩振动主峰出现红移,与辐照损伤蜕晶化过程出现的蓝移相反。此外,晶胞参数a、b、c和晶胞体积V减小,与辐照损伤过程相反。     

高He通量注入条件下F/M和ODS钢中纳米微结构对He泡形核和长大的影响

利用LEAF装置提供的2 MeV的He离子,在500和600 °C分别对新型F/M钢-SIMP钢和ODS钢(MA956和Eurofer-ODS钢)注入1×1017 ions/cm2的高通量He离子,借助透射电子显微镜,表征了辐照后三种材料的肿胀行为,验证了各材料中纳米微结构(晶界,析出相和纳米氧化物)对辐照后He泡成核和长大的影响。结果表明,基于材料中晶界和析出相对He泡生长的抑制作用,温度为500 °C时,SIMP和Eurofer-ODS钢表现出较高的抗辐照肿胀性能,而MA956中纳米界面He泡成核和长大作用不明显,表现出较差的抗辐照肿胀性能;此外,温度为600 °C时,Eurofer-ODS钢由于其晶界和氧化物界面的较强作用,表现出较好的抗辐照肿胀性能。总体来说,在高He通量注入条件下,材料中纳米结构的存在会抑制He泡长大的过程,但不同材料中纳米结构对He影响作用不同。     

加速器驱动嬗变研究装置中关键材料的辐照损伤分析

反应堆中各结构部件的抗辐照性能,对整个系统的使用寿命及安全性有较大的影响。本工作通过MCNPx2.70蒙特卡罗软件建立CiADS散裂靶次临界反应堆模型,结合NJOY2016核数据截面处理软件制作的材料原子离位截面,在堆芯组件数分别为30,42,72盒的情况下分别计算和分析了316L、15-15Ti、SIMP 3种不锈钢材料和ZTA陶瓷作为候选结构材料的中子辐照损伤情况。当用作CiADS燃料包壳时,3种不锈钢材料中SIMP制成的包壳的R_dpa值最小,在燃料组件数为30,42,72盒的情况下其年辐照损伤量分别约为1.16,1.61和12.0 dpa/a。而ZTA制成的燃料包壳的R_dpa值均大于不锈钢材料的辐照损伤。在散裂靶次临界反应堆耦合区域,轴向上CiADS中心管在束靶作用面附近所受到的辐照损伤最大。燃料组件数为30盒时,由316L制成的中心管的辐照损伤率峰值约为2.7 dpa/a。     

紫外辐射对亚油酸氧化反应影响的拉曼光谱分析

应用拉曼光谱技术,分析了亚油酸自氧化过程及紫外辐照对亚油酸氧化反应的影响。结果表明:δ(=CH)的特征峰1266cm-1和(=CH—H)中C—H伸缩振动标志峰3014cm-1的强度逐渐减小并随着时间的延长而消失,说明随着氧化反应的进行双键消失或者含量减小;ν(C=C)和羧酸中C=O振动的标志峰1658cm-1的强度先增大再减小,说明在反应初期由于碳链的重排和羧酸的生成使其增大,在反应后期亚油酸中的羧基和反应生成的羟基酸、羟基醛脱水,使羧基C=O含量减小。紫外辐照加快了氧化反应的启动,提高了氧化反应的速度。实验结果说明拉曼光谱谱峰变化能表征脂肪酸氧化过程中基团的变化以及辐射处理对脂类物质氧化的影响,为脂质过氧化反应机理的研究提供了一种行之有效的研究手段。     

辐照和碳化对SiC空心微球的影响

以聚碳硅烷(PCS)为原料,通过炉内成球技术制备SiC空心陶瓷微球,讨论辐照交联和高温碳化对SiC陶瓷微球化学成分、成键结构和表面特性的影响。结果表明,PCS在热处理过程中的失重率约为35%,其分解温度在400~800℃之间。微球经电子束辐照后会生成以Si—C—Si和Si一O一Si骨架结构为主的三维网络交联结构。碳化过程使Si—C_32键,Si—H键和C—H键断裂,生成以Si—C为主的无定形态Si(C。辐照的均化作用使高温热处理碳化的微球能够维持完好的球壳结构,且具有更好的表面粗糙度和平整性。     

PMMA光纤辐照特性研究

分析了聚合物光纤在辐照环境下的物理化学变化,实验研究了聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）光纤在不同剂量的γ射线辐照下的辐照损伤和恢复特性,测量了PMMA光纤在可见光波段的辐照光谱和恢复光谱以及在638 nm的辐照前后透过率及辐照损伤.测量结果表明,光纤的辐照损伤和恢复都有波长相关性,辐照剂量低于5 kGy,PMMA光纤在整个可见光波段的辐照损伤情况差别不大,辐照剂量超过5 kGy,PMMA光纤在400 nm~550 nm波段的辐照损伤比600 nm~800 nm的辐照损伤要严重.     

利用HIRFL高能重离子束的核能材料辐照损伤研究

载能重离子与高能中子在材料中能够产生相似的级联碰撞损伤,加之重离子具有大的离位损伤截面和在材料样品中低的感生放射性,载能重离子束成为模拟先进核能装置内部结构材料辐照损伤的重要手段。HIRFL能区的重离子在结构材料中的射程一般远大于晶粒尺寸,因此能够产生材料体损伤,借助小样品技术可以获得材料力学性能变化（尤其辐照脆化）的有用信息,为探讨材料辐照损伤微结构和宏观力学性能变化的关联提供了重要条件。本文简要介绍了近年来我们基于HIRFL高能离子束开展的聚变堆候选材料辐照损伤的研究,包括低活化钢的辐照脆化行为、氧化物弥散强化（ODS）铁素体钢的结构优化对于抗辐照性能的影响、不同载能粒子辐照条件下铁素体/马氏体钢的辐照肿胀数据的关联,以及高能重离子辐照的钨材料中氢同位素的滞留行为。研究表明,结合特殊的测试技术及数据分析方法,高能重离子可作为核能结构材料辐照损伤研究及评估的有效手段。Because of the similarity in cascade damage structure in materials produced by energetic heavy ions and by fast neutrons, and the high displacement rate and low induced radioactivity of samples by heavy ions, heavy ion beam becomes an important tool to simulate radiation damage by energetic neutrons in materials in advanced nuclear energy systems. The ranges of heavy ions provided by HIRFL (Heavy Ion Research Facility in Lanzhou) are generally much larger than the mean dimensions of grains in alloys candidate to advanced nuclear reactors, and is capable of producing radiation damage in bulk scale. It therefore makes possible the evaluation of change of mechanical properties including the radiation induced embrittlement from the irradiated specimens by using miniaturized specimen techniques. In the present paper, we provide an introduction of our recent studies of radiation damage of materials candidate to future fusion reactors by utilizing heavy ion beams in HIRFL.The studies include issues as follows:ductility loss of RAFM steels causes by high-energy Ne ions, impact of oxide dispersoids on the radiation resistance of ODS ferritic steels, correlation of void swelling of ferritic/martensitic steels under different particle irradiation, and behavior of deuterium retention in tungsten under irradiation with high-energy heavy ions. The results show that high-energy heavy ions can be used as a tool to efficiently investigate or evaluate radiation damage in structure materials if combined with some special test techniques and data analysis.     

γ射线辐照对a-SiC:H薄膜结构与特性的影响

 采用射频（13.56 MHz）反应溅射方法制备a-SiC:H 薄膜，并将其在空气中进行高能γ射线(平均为1.25 MeV)辐照，5个样品的吸收剂量分别为0，2×10⁴，4×10⁴，6×10⁴，8×10⁴ Gy。采用拉曼及红外光谱对薄膜的结构进行表征,得到了其结构与特性的变化规律。研究与分析表明：随样品吸收剂量的增加，陷入空穴中的电子会被激发，a-SiC:H薄膜中的SiC成份增加，电阻率变小，数量级为105Ω·cm；薄膜存在结晶化的趋势,其主要原因在于由Si－O－Si键断裂而产生的Si取代膜中C－C键中的C而形成晶态SiC，在此过程中出现了Si－O－Si键及a-SiC:H的减少，晶态SiC的增加。经γ射线辐照后薄膜的氢含量降低，折射率从5.19增大到5.53，辐照后薄膜的透过率均低于原膜的透过率。在500~2 300 cm^-1(对应波长为20.00~5.29 μm)波段内，a-SiC:H薄膜存在一定的增透作用。     

质子辐照对国产“一”字型保偏光纤损伤效应研究

航天器在空间环境中运行时,会受到质子的辐照,光纤环作为航天器上光纤陀螺的重要组成部件受辐照影响 最为严重.为了研究国产“一”字型保偏光纤因质子辐照导致辐照诱导损耗的变化规律及其辐照损伤机理, 选择质子能量为5 MeV和10 MeV,光源波长为1310 nm,原位测量了光纤传输功率变化情况,计算出辐照诱导损耗. 利用SRIM软件,模拟能量分别为5 MeV和10 MeV质子辐照在光纤中的电离和位移损伤分布.借助X 射线光电子能谱仪分析辐照前后O 1s和Si 2p解析谱,借助傅里叶变换红外光谱仪观察光纤辐照前后光谱变化情况研究发现,在波长为1310 nm处, 光纤的辐照诱导损耗随着质子注量的增加而增长,主要原因是由于光纤纤芯中Si-OH的浓度增加所导致. 而且能量为5 MeV质子辐照造成光纤的辐照诱导损耗比10 MeV严重,这是因为5 MeV质子在光纤纤芯处造成的 位移和电离损伤均比10 MeV严重,即产生的Si-OH数量多.     

论FeCr合金辐照损伤的多尺度模拟

铁素体/马氏体钢具有优异的抗辐照肿胀和抗腐蚀能力,是聚变堆、ADS和四代堆结构材料重要候选者之一.多尺度模拟在核武器自辐照损伤、压力容器辐照脆化、医学材料辐照损伤等方面有着广泛的应用.国际上围绕F/M FeCr合金辐照损伤开展了大量的多尺度模拟工作.论文概述了F/M FeCr合金辐照损伤多尺度模拟研究现状及进展,并针对目前存在的某些问题提出了解决建议. 关键词： 铁素体/马氏体FeCr合金 辐照损伤 多尺度模拟     

高能Pb离子辐照注碳SiO2的红外谱研究

室温下，先用120keV的C离子注入二氧化硅薄膜样品至剂量2.0×1017、5.0×1017或8.6×1017ions/cm2，再用950MeV的Pb离子分别辐照至剂量5.0×1011、1.0×1012或3.8×1012 ions/cm2，然后测量样品的傅里叶变换红外(FTIR)光谱. 通过分析测量得到的傅里叶变换红外谱，发现Pb离子辐照在注碳SiO₂样品中可引起大量的Si－C和Si (C)－O－C等化学键的形成，大剂量Pb离子辐照可在大剂量注碳的SiO₂中产生分子CO₂. 大量的Si－C键的存在和分子CO₂的形成，预示着高能Pb离子辐照在注碳SiO₂样品中有可能形成了纳米Si团簇和/或SiC晶粒.     

拉曼光谱技术在核燃料分析中的应用研究进展

对辐照前后核燃料的物理化学性质进行分析表征是实现核动力反应堆内燃料性能可靠预测的基础之一。拉曼光谱技术可以通过分析分子振动、转动方面的信息获知物质的分子形态及物相结构变化,因其具有微量、无损、原位、高效等优点的定性定量分析能力,被广泛应用于核燃料的表征中。本文简要概述了拉曼光谱技术的基本原理,从腐蚀分析、辐照损伤分析、温度监测及高放射性样品封装等4个方面介绍了近十几年来拉曼光谱技术在核燃料分析领域的应用现状及研究进展,指出了该技术目前存在的一些局限性,并针对核燃料分析,从联用技术、数据库建立等方面对未来拉曼光谱技术的研究与应用方向进行了展望。     

超临界水冷堆燃料包壳材料的辐照损伤研究进展

超临界水冷堆（SCWR）是第四代核电站的主力堆型之一,高温、高压、超临界水环境下的辐照损伤问题是其燃料包壳材料面临的最大挑战。SCWR燃料包壳候选材料主要包括锆合金、奥氏体不锈钢、铁素体/马氏体不锈钢、镍基合金、ODS合金五大类,奥氏体不锈钢是最有希望的候选材料。介绍了近年来在这个领域国际上的主要研究进展。作者所在团队也对多种SCWR的候选材料进行了辐照损伤研究,包括:镍基合金C-276和718、铁素体/马氏体钢P92、奥氏体不锈钢AL-6XN和HR3C。对AL-6XN的氢离子辐照实验发现,辐照产生的缺陷主要是间隙型位错环,伯格斯矢量为1/3<111>,在较高剂量（5～7 dpa）辐照下,出现空洞肿胀。在氢滞留的影响下,位错环有着独特的演化规律,总结提出了位错环的四阶段演化过程。The Supercritical Water-cooled Reactor (SCWR) is one of the prior Generation IV advanced reactors. Irradiation damage is one of the key issues of fuel cladding materials which will suffer serious environment, such as high temperature, high pressure, high irradiation and supercritical water. The candidate materials contain zirconium alloys, austenitic stainless steels, ferritic/martensitic stainless steels, Ni-base alloys and ODS alloys. Austenitic stainless steels are the most promising materials. This paper summarized the international researches on irradiation effects in fuel cladding materials for SCWR. The group of authors also has done many researches in this field, including nickel-base alloy C-276 and 718, ferritic/martensitic steel P92 and austenitic stainless steel AL-6XN and HR3C. In AL-6XN austenitic stainless steels irradiated by hydrogen ions, dislocation loops were the dominant irradiation defects. At higher irradiation dose (5～7 dpa), the voids were found. All the dislocation loops were confirmed to be 1/3<111> interstitial type dislocation loops, and four evolution stages of dislocation loops with hydrogen retention were suggested.     

Mo/Si多层膜在质子辐照下反射率的变化

为了检验应用在极紫外波段空间太阳望远镜上Mo/Si多层膜反射镜在空间辐射环境下反射率的变化情况, 模拟了部分空间太阳望远镜运行轨道的辐射环境, 利用不同能量和剂量的质子对Mo/Si多层膜反射镜进行辐照实验.辐照前后反射率测量结果显示,由于带电粒子的辐照损伤,质子辐照会使Mo/Si多层膜反射镜的反射率降低,且质子能量越低、剂量越大,对多层膜的反射率影响越明显. 当质子能量E=160keV,剂量＝6×10¹¹/mm²时,反射率降低4.1%;能量E=100keV,剂量=6×10¹¹/mm²时, 反射率降低5.7%;能量E=50keV,剂量=8×10¹²/mm²时,反射率降低10.4%. 用原子力显微镜测量辐照后Mo/Si多层膜反射镜的表面粗糙度比辐照前明显增加,致使散射光线能量逐渐增大并最终导致反射率的降低. 关键词： 质子辐照 Mo/Si多层膜反射镜 辐照损伤     

电子束辐照对聚碳硅烷结构与热解性能的影响

在惰性气氛下,用电子束对聚碳硅烷(PCS)进行辐照改性。利用傅里叶变换红外光谱分析、凝胶含量测定以及热重-气相色谱-质谱连用技术对不同剂量改性的PCS进行了分析表征,研究了辐照剂量对PCS结构与热解性能的影响。结果表明,电子束辐照作用使PCS样品中大量Si—H键和C—H键发生断裂,形成了以Si—C—Si为骨架的三维网状凝胶产物,当辐照剂量高于3MGy时,PCS的凝胶化程度随辐照剂量的增加而明显变大。热重分析表明,电子束辐照有利于提高PCS的热稳定性,其初始失重温度和陶瓷化产率都会随辐照剂量的增加而升高,其中,经20 MGy辐照后的PCS样品的陶瓷化产率可达87%。此外,对于400℃预处理的PCS样品,在相同吸收剂量下,样品的凝胶质量分数、初始失重温度和最终陶瓷化产率都较未处理的高。