核反應堆用ODS鋼的抗輻照性能研究進展

王會　馬春春　陳美英　孫建剛

摘 要：ODS鋼以其優異的高溫力學性能和抗輻照性能，被公認是最有希望的第四代先進裂變堆和聚變堆候選結構材料之一。本文簡要介紹了核反應堆結構材料的輻照損傷現象，ODS鋼的性能強化機理以及輻照條件下ODS鋼的變化，分析了目前研究中存在的問題，為后期控制和減少ODS鋼中的輻照損傷提供一定的理論基礎，為完善ODS鋼的制備工藝提供一定的參考依據，對于核電站的安全高效運行具有一定的參考作用。

關鍵詞：ODS鋼;輻照損傷;納米氧化物

0 引言

核能被公認是唯一可替代化石能源，保障人類生存發展的清潔能源。結構材料一直是制約核能發展的主要因素之一，核反應堆結構材料長期處于高輻照、熱機械交變載荷和化學反應環境同時存在的苛刻條件，會出現輻照損傷現象，降低材料性能，危害核反應堆安全。第四代先進裂變堆及聚變堆中更高的溫度及輻照強度對服役材料提出更高的要求，需要結構材料具備更優異的高溫強度和抗輻照性能等。

納米結構氧化物彌散強化鋼（ODS鋼）具有優異的高溫強度及蠕變斷裂強度，有效抑制了輻照腫脹及氦脆，被公認是最有希望的第四代先進裂變堆候選結構材料和聚變堆第一壁/包層候選結構材料。但長時間的高溫高輻照環境導致ODS鋼中納米氧化物顆粒出現形狀改變、尺寸減小等不穩定現象，使得ODS鋼出現輻照脆化及硬化，延展性降低等不利影響。

因此，提高ODS鋼的穩定性顯得尤為重要。本文通過分析材料的輻照損傷以及ODS鋼的強化機理，總結不同輻照下ODS鋼的變化，為提高ODS鋼的穩定性提供進一步研究的思路。

1 材料的輻照損傷現象

核反應堆內的高能粒子輻照材料時，會引入過飽和的點缺陷，點缺陷擴散遷移過程中，部分相互聚集形成層錯，轉變成位錯環。空位相互聚集也會形成層錯四面體和空洞。

輻照產生的晶體缺陷會使金屬材料的組織結構發生變化，進而影響材料的力學性能，出現輻照硬化、輻照腫脹及輻照偏析等輻照損傷現象。輻照產生的缺陷會釘扎位錯，阻礙位錯的運動，產生輻照硬化，使得材料屈服強度提高，降低其力學性能;空位聚集形成空洞，會使晶體材料的密度降低，體積膨脹，誘發輻照腫脹現象，造成堆內緊固件斷裂，也會加劇惡化其他輻照損傷;過飽和點缺陷向晶界擴散過程中，合金元素也隨之擴散，導致輻照偏析現象，使得晶界處抗腐蝕能力大大下降，從而誘發晶界處應力腐蝕開裂。結構材料長期處于核反應堆極端惡劣環境中，輻照損傷現象會降低結構材料的力學性能及抗輻照性能，嚴重危害核反應堆安全。

2 ODS鋼性能研究

體心立方結構的鐵素體/馬氏體鋼擁有優良的抗腫脹能力，還擁有較好的抗韌性--脆性轉變溫度，較高的熱導率和低的熱膨脹系數。但高溫強度不足，容易在晶界聚集形成粗大的氦泡，導致氦脆。利用粉末冶金技術，通過機械合金化使Y、Ti、O固溶到低活化鐵素體/馬氏體鋼（RAFM鋼）母合金粉中，在后續的熱固化過程中析出納米級別的Y-Ti-O氧化物顆粒，這種含有納米氧化物結構的RAFM鋼被稱為ODS鋼。

ODS鋼主要通過位錯強化、細晶強化和彌散強化三種方式提升其性能。位錯強化和細晶強化來源于機械合金化過程中，球磨對合金顆粒的反復破碎和擠壓，會使得材料的晶粒快速減小到納米級，并產生高密度的位錯糾纏。最重要的是彌散強化，主要來源于粉末成形過程中產生的大量納米氧化物顆粒，因其本身的穩定和耐高溫性，可以顯著提高材料的高溫強度及蠕變斷裂強度等高溫力學性能。彌散分布的粒子成為位錯運動的阻礙，這種位錯與粒子的交互作用通常用Orowan模型強化機制來解釋，臨界切應力可表示為：

σ*=Gb/L（2-1）

式中，σ*為臨界切應力，L為硬粒子間距，G為基體的切變模量。位錯與粒子的交互作用的結果是形成位錯環，增加了位錯滑移阻力并使強度迅速增大。

高度彌散的納米氧化物可以顯著提高ODS鋼的抗輻照性能。氧化物顆粒可以釘扎輻照產生的缺陷，使空位和間隙原子彌散于材料中，使得高密度的空位無法在晶界處聚集長大，從而避免在晶界上形成粗大的空位團，極大提高了材料的抗腫脹性能。大量的納米氧化物可以俘獲聚變反應中嬗變產生的氦，使得氦以納米尺寸的氦泡形式彌散在材料中，避免在晶界上形成粗大的氦泡，提高了材料的抗氦脆能力。

3 輻照下ODS鋼的變化

研究發現，ODS鋼在低劑量的輻照下具備良好的穩定性，但隨著輻照劑量的增加，鋼中納米氧化物出現形狀改變、尺寸減小等現象。輻照劑量對氧化物穩定性有一定影響，高能量的輻照可能更容易引起氧化物的變化。

輻照方式的差異也對氧化物變化有一定影響。Russell K C等人研究認為高能粒子的撞擊使得氧化物中的溶質原子被撞離出來，受到點缺陷擴散的影響導致氧化物溶解;Allen等人研究表明500～700℃，150dpa的重離子輻照能夠使氧化物顆粒尺寸減小，密度增大，認為重離子的碰撞以及級聯效應引起了氧化物的變化。Monnet I等人發1MeV的He離子輻照條件下，氧化物不會發生任何變化，但在1 MeV的電子輻照下，氧化物出現半徑減小等現象，認為點缺陷擴散是造成氧化物溶解的主要機制。雖然學者們對此做了大量研究，但由于輻照條件和樣品種類的差異，至今仍未明確證明氧化物分解的機理。

4 ODS鋼發展需要解決的問題

ODS鋼優異的力學性能和抗輻照性能主要取決于高度彌散的納米氧化物，因此納米氧化物的穩定性至關重要。

若想研究氧化物顆粒分解的主導因素，需要對相同的樣品進行多組對照實驗，分別研究溫度，輻照方式等因素對氧化物變化的影響，采取TEM、APT、SANS和同步輻射光源等先進的分析測試方法對輻照后的樣品進行分析對比，進而明確氧化物顆粒分解的機理。

研究不同輻照條件對ODS鋼中氧化物穩定性的影響，分析氧化物顆粒變化機理，可為減少ODS鋼中的輻照損傷進行前瞻性的探索，為完善ODS鋼的制備工藝提供一定的理論基礎與參考依據。

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作者簡介：

王會（1993- ），男，漢族，北京，碩士，工程師。