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高流强聚变中子将会在材料内部产生辐照缺陷和氦等嬗变元素,会使材料在辐照后性能下降而产生辐照损伤,聚变中子辐照损伤的影响因素复杂,机理尚未阐明,是聚变堆首要候选结构材料低活化铁素体/马氏体RAFM钢的研究热点和难点,由于缺乏强流聚变中子辐照装置,通常采用裂变及散裂中子、离子及电子模拟辐照实验来研究聚变中子辐照性能与损伤机制。本论文以研究RAFM钢的聚变中子辐照性能为目标,对中国自主研发的低活化马氏体钢(CLAM)、欧洲发展的Optimax-A钢以及日本发展的F82H钢进行了裂变或散裂中子以及电子辐照实验来模拟研究聚变中子辐照损伤机制,测试与研究了辐照前后的力学性能和微观结构的变化情况和规律,分析了辐照缺陷及氦泡对力学性能的影响机理,并建立了数据库。
(1)研究了CLAM钢在反应堆裂变中子辐照(250℃,0.02dpa)后的拉伸和冲击性能的变化,结合对比国际上其它RAFM钢在类似中子辐照剂量水平下的辐照性能,初步分析了CLAM钢的辐照硬化和脆化效应。可得出,CLAM(HEAT0603A)的辐照硬化效应是比较小的(10～30MPa),且辐照脆化效应(韧脆转变温度DBTT上升5℃)明显低于JLF-1钢。
(2)研究了Optimax-A钢和F82H钢在散裂中子源辐照(90～370℃,5～11.3dpa)和氦注入(室温,560 appm/1350 appm)后的显微硬度和微观结构的变化规律,分析了辐照后硬化效应,并通过退火回复实验(600℃,2小时)来消除辐照缺陷硬化,分析了氦对Optimax-A和F82H钢辐照硬化效应的影响,获得了辐照硬化和氦泡影响的初步规律。结果表明,Optimax-A和F82H钢在退火前的显微硬度值随辐照剂量成单调递增关系,而与辐照温度没有明显的关系。而在退火之后,显微硬度值有一定程度的降低。不管是退火前或退火后,两种钢的显微硬度与辐照剂量的关系都呈现出相类似的趋势。辐照后退火前,缺陷团、位错环和氦泡对于辐照后硬化都具有贡献:而退火之后,硬化则主要是由氦泡所引起。硬化与氦泡的尺寸和数密度的乘积成正比,尺寸1～1.5纳米氦泡对于位错移动的阻挡因子(Barrier Strength)大约为0.1。尽管氦泡的尺寸非常小,属于弱阻挡作用的第二相粒子,但在较高数密度(1023～1024 m-3)情况下,仍将会产生明显的硬化效应。
(3)原位观察了CLAM钢在高能电子辐照(0～15dpa,450℃/550℃)下微观结构的变化,分析了电子辐照产生辐照缺陷(位错环等)的产生和演化规律。可得出,CLAM钢辐照下产生的位错环的平均尺寸和数密度随着辐照剂量的增加而增大,并逐渐达到饱和。随着辐照温度的升高,辐照产生的位错环的尺寸增大,但是位错环的数密度降低。与基本成分样品(硅:0.11％)相比,添加合金元素硅(0.27％)的样品在辐照后的位错环的尺寸和数密度明显减小,硅元素可能具有抑制位错环的生长、减小位错环的尺寸和数密度、提高CLAM钢的抗辐照性能的能力,但需要进一步验证。
(4)在CLAM钢以及国际上其它RAFM钢的辐照及其它性能测试数据的基础上,进一步扩充收集其它聚变堆材料的数据,开发了聚变材料数据库系统FUMDS1.0,为RAFM钢等聚变材料的研发和聚变堆设计提供数据支持。同时,针对聚变堆材料辐照性能,尤其是结构钢的辐照性能,设计了辐照专题数据库。
本论文工作为CLAM钢辐照性能的改善提供了实验依据,并通过辐照后微观结构改变和性能的关系为提高抗辐照性能及优化设计提供了理论指导,这对于促进聚变堆结构材料的早期应用和提高辐照性能具有重要的意义。