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铝和不锈钢中氦行为研究

陈长安  
【摘要】: 针对放射性元素钚的α衰变引起的氦损伤问题,选择模拟材料铝进行了He的离子注入和其中氦行为的理论和实验研究,同时,也研究了氚工艺及聚变堆技术结构材料不锈钢中氚衰变~3He的扩散行为,从而对两种金属中He的行为有了较深入的认识。 在不锈钢氚衰变~3He的扩散行为研究中,建立了氚和~3He浓度分布的解析解和数值计算方法,以评估充氚不锈钢球形容器壁中氚衰变~3He的宏观浓度分布,同时还用数值计算方法以求解氚和~3He的多步扩散行为;对样品表面逐层蚀刻、同时收集释放的~3He进行分析,分别实测了经室温条件下在6.13MPa高压氚中贮存4年和6年、空气中存放3年和1年的两种21-6-9不锈钢球壳样品内壁中~3He浓度分布;结果表明:由于He在金属中的不可容性,He原子偏聚于不锈钢表面以及内部的局部区域,在整体趋势上,~3He分布与计算结果相一致,根据理论计算,两种21-6-9不锈钢球壳样品内壁中~3He到达的深度分别为350μm及500μm。 在金属铝中氦行为的理论研究中,基于密度泛函理论、广义梯度近似、赝势平面波方法,计算了单个He原子在金属铝中的各种能量数据,包括各种He原子-缺陷的形成能、迁移能、束缚能以及离解能数据。计算结果表明,晶内He原子择优占位区是空位,而在整个晶体范围,最有利于容纳He原子的区域是晶界,位错容纳He原子的能力次于晶界和空位;在fcc-铝的间隙位中,He原子优先充填四面体间隙位;晶内间隙He原子是可动的,通过间隙He原子的运动,可在晶内聚集,或被空位、晶界、位错等缺陷束缚。 在金属铝中氦行为的实验研究中,首先用离子注入技术在单晶、多晶以及择优取向的铝样品中引入不同能量、剂量和浓度分布的He原子,能量范围从50eV~4.87MeV,TRIM模拟的He浓度峰值的深度范围为16(?)~20.7μm,注入层的宽度为10(?)~1μm。其次,开展了氦行为的各项实验研究:增强质子背散射分析的结果表明,铝样品在注He的室温存放期间,He将发生扩散逃逸,120天后,大部分He原子逸出样品,其中由于缺乏晶界固He的作用,单晶铝中He的逃逸量更多;表面XRD分析的结果表明,铝样品注入He后,注入层将产生较小的畸变量,且畸变量与样品种类,He的注入和随后存放条件等因素有关,在同样注入和存放条件下,低指数、单晶铝的畸变量最大;表面慢正电子湮没谱的测量结果表明,S参数证实了注入层中He-空位缺陷的存在信息,经450℃以后高温的退火后,He-空位缺陷通过热扩散发生彼此问的融合而长大,使缺陷峰降低,而当退火温度低于350℃时,长大现象并不明显,同时进一步观察到He随存放时间向外逃逸的现象;表面纳米硬度测试的结果表明,He注入铝后,将引起铝的纳米硬度和弹性模量值的显著降低,使材料的强度下降,力学性能退化,且变坏的程度与He浓度和深度分布相对应;He的热解吸实验结果表明,50eV注He多晶铝只在80℃ 附近出现单一的低温解吸峰,且总的He量较少,60keV注He单晶铝和多晶铝的主要释 放峰在4O0oC以后,通过求60keV注He单晶铝四个释放峰的激活能可知,He的热解吸 过程对应于单个He原子从不同尺寸的空位团束缚态中的解离,但其过程比较复杂;表 面形貌的SEM观察结果表明,铝样品注入He后,表面形貌会发生明显的改变:出现了 溅射蚀坑、孔洞、鼓泡甚至表面层的剥落等现象,这些形貌与He+注入时的剂量、温度 和能量等诸因素有关,其产生的机制与He+的溅射效应、内部氦泡的畸变并由此所产生 的裂纹扩展机制相联系;注入层TEM的观察结果表明,内部氦泡的形态和分布与注入 样品中的He浓度和注入时的温度,以及后期存放的时间和温度等因素有关,即使是室 温、50eV的亚阂注入,高浓度的He注入层也会在内部发展成泡格子,而浓度和温度较 低时,氦泡的长大不明显,当温度很高时,可以观察到不同尺寸的氦泡,较大的泡分布 于缺陷处,并首次利用TEM电子束的热效应,在线观察了较大氦泡的长大过程,其主 要以氦泡边界扩张的合并方式长大,而氦泡的直接迁移过程并不明显。


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