第七讲 核材料的辐照效应讲解
(优选)核材料的辐照效应
所致。
二铁合金的粒子辐照效应
1 辐照对12Cr-ODS钢氧化物稳定性影响 利用氢离子（H+）束和电子（e-）束，双束（H+/e-）同时 辐照用化学浸润法制备的新型12Cr-ODS铁素体钢，研究辐 照对12Cr-ODS钢氧化物稳定性的影响。对不同辐照剂量下 原位观察辐照区内氧化物形貌的变化过程发现：辐照前和 15dpa辐照后约10-20nm氧化物的尺寸并没有明显变化，而氧 化物周围出现微小高密度空洞并没有影响氧化物的稳定性。 当辐照温度升高至823K时，大尺寸的氧化物Y2O3与基体的 相界面变得不规则，但氧化物颗粒尺寸并不发生明显变化。 实 弥验散结强果化表相明Y2：O3弥与散铁强素化体相相Y界2O面3尺变寸得稳粗定糙，与无氢明的显存溶在解，现促象进。 铁素体内空位向Y2O3氧化物扩散有关。
离子辐照前后实验材料的显微组织
3.450 ℃高能电子辐照对CLAM 钢微观结构 的影响
为了研究低活化马氏体CLAM 钢的抗辐照肿胀性 能,在450 ℃下对CLAM 钢进行大剂量高能电子辐 照的原位动态实验. 利用超高压透射电子显微镜观 察发现,CLAM 钢中产生了大量的间隙原子型位错 环和多面体形状的辐照空洞. 分析了它们的形核和 长大规律以及相关机制. 计算表明,CLAM 钢在高 能电子辐照下的最大肿胀率为0.26 % ,具有较好 的抗辐照肿胀性能.
理论计算辐照环境下纳米晶材料的结构变化
A 传统晶态合金
B 纳米晶材料
1 Bai XM, etc., Science, 327, 1631 (2010);
2 Ackland G, Science, 327, 1587 (2010)
一 锆合金的辐照效应
❖ 1. 单位体量材料积中位移原子数与原子总数之比 定义为原子位移（dpa），通常以其值来衡的辐 照损伤程度，在典型轻水堆电站中锆合金包壳每 一次循环下所受到的辐照损伤为20(dpa)，约相当 于10-7dpa/s,可见很严重。
辐照热力耦合
辐照热力耦合辐照热力耦合是指在核能反应堆中，由于放射性核素的产生和衰变，会产生大量的中子、γ射线和热子等粒子，这些粒子与反应堆中的材料相互作用，引起材料的辐照损伤和热力学响应。
辐照热力耦合问题是核能反应堆安全分析的重要内容之一。
一、辐射效应1. 中子效应在反应堆中，中子是最主要的粒子之一。
它们与原子核相互作用，产生散射、吸收等现象。
在这个过程中，会释放出大量的能量，并且引起原子核结构发生变化。
这种变化称为“辐照损伤”。
随着辐照剂量的增加，材料会发生晶格缺陷、位错形成等现象。
这些现象会影响材料的物理性质和力学性能。
2. γ射线效应除了中子外，在反应堆中还有大量的γ射线。
γ射线可以穿透物质并且具有很高的能量。
当γ射线进入材料时，它们会与材料原子相互作用，释放出能量。
这种能量的释放会引起材料的电子结构和化学键发生变化，导致材料的性质发生变化。
二、热力学效应1. 温度效应在反应堆中，核反应会产生大量的热量。
如果不能及时散热，温度将会升高。
当温度升高到一定程度时，材料的力学性能和物理性质都会发生变化。
例如：金属材料在高温下容易软化、塑性增加，而陶瓷材料则容易开裂。
2. 应力效应当材料受到外部载荷时，内部会产生应力。
这种应力可以影响材料的物理性质和力学性能。
在反应堆中，由于温度和辐射效应等因素的影响，材料内部可能会产生残余应力。
这些残余应力可能导致材料失效。
三、辐照热力耦合效应辐射效应和热力学效应之间存在着相互作用关系。
例如：辐射损伤可以引起晶格缺陷等现象，这些现象又可以影响材料的导热性能和力学性能。
另外，温度和应力也会影响辐照损伤的形成和演化。
因此，在分析核反应堆安全性时，必须考虑到辐射效应和热力学效应之间的相互作用。
四、辐照热力耦合分析方法1. 实验方法实验方法是研究辐照热力耦合效应的重要手段之一。
例如：可以通过中子辐照实验来模拟反应堆中的中子效应，通过高温实验来模拟反应堆中的温度效应等。
2. 数值模拟方法数值模拟方法是一种有效的分析辐照热力耦合问题的工具。
材料辐照效应与核电材料--内含精选动图
1、辐照缺陷的产生过程
氦是惰性气体，不易溶于固体材料，因此一旦 金属中引入氦后，氦将与金属中点阵原子和缺 陷发生相互作用，最终导致金属微观结构和宏 观性质发生变化。
氦的存在形态有: 1)单个原子及原子团 2)氦泡
(3)级联碰撞 氦气泡、氢气泡
1、辐照缺陷的产生过程
氦泡形成后，可通过三种方式继续长大:
A、核电用钢
双相不锈钢
铁素体-奥氏体型双相不锈钢发展思路： 奥氏体不锈钢抗应力腐蚀性能较低 而铁素体不锈钢抗晶间腐蚀能差
A、核电用钢
双相不锈钢
I、铁素体分布在奥氏体中，提 高强度，增加导热性能，降低 焊接热裂纹倾向。塑性较高的 奥氏体降低了铁素体的脆性。
II、抗晶间腐蚀的原因。 铁素体钢的晶间腐蚀是由于在 晶界析出含Cr化合物Cr23C6。 双相钢中，C富集在奥氏体中， Cr富集在铁素体中。所以C和 Cr相遇的可能性明显降低， Cr23C6形成量减小，不会链接 成网状。
金属锆的物理性质
塑性比较差
原子序数 原子量
密度(g/cm3) 熔点(℃) 沸点(℃)
热膨胀系数(1/℃) 导热率(W/m℃)
40 91.22
6.5 1845 3852 4.9×10-6 16.7 (125℃)
晶体结构
热中子吸收 截面(靶)
<862℃ 密排六方
>862℃ 体心立方
a=0.323nm a=0.361nm
1)吸收新引入的或者热迁移来的氦原子或吸收空位。 2)迁移-合并机制。 3) Ostwald熟化长大。在热平衡时，氦泡的压强与大小有 关，小氦泡的内部压强小，大氦泡内压强大，因此不同尺 寸的氦泡之间存在着氦原子浓度梯度，这种浓度梯度使得 小氦泡的氦原子重新溶解而扩散到大泡，导致小的氦泡消 失，大的氦泡长大。
核反应堆结构与材料材料PPT课件
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核燃料的应用
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感谢您的观看！
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核科学与技术学院
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典型陶瓷燃料性能
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弥散体型燃料
• 弥散型燃料是由二氧化 铀或碳化铀等陶瓷燃料 颗粒，依照所需的物理 性质弥散在金属、非金 属或陶瓷基体上所组成 的燃料型式。
• 例如Al，不锈钢，Zr， 石墨等基体
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核心 包覆颗粒 燃料元件
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弥散体型燃料弥散相要求
④ 合金铀的相关说明
主要合金形式有铀与锆、铬、钼、铌、铝等
与金属铀相比，合金具有较好的机械性能、良好的 抗腐蚀性能，对抗辐射性能有所改善
加入合金元素会使中子吸收增加，需使用富集铀
锆的熔点高，中子吸收截面小，抗辐射性能好，同 时铀在锆中的溶解度大（铀－锆合金 ）
熔点高，热导率高，便于轧制成型
1.216 10 4
exp(0.001867t)
K95 0.0191 1.216 104 exp(0.001867t)
Kp
1 ε 1 βε
K 100
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二氧化铀的典型物性（2）
• 热导率（续）
燃耗对热导率的影响
低温时随燃耗升高热 导率下降
高温时变化不大
热导率随氧铀比增加 而减小
1226℃ t 2800℃
单位J/(kg℃)
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二氧化铀的制备
【2024版】第四章核能材料
2.3裂变堆类型
裂变反应根据堆内中子能量大小，分为快中子反 应堆和热中子反应堆等堆型。以水作为慢化剂的热中 子反应堆根据氢原子中的中子数不同，可以分为轻水 堆(LWR) 、重水堆等；轻水堆根据冷却剂状态不同可 以分为压水堆、沸水堆等。
压水堆(PWR)：使用加压轻水作冷却剂和慢化剂 ，水压约15.5MPa，水在堆内不沸腾，驱动汽轮发电 机组的蒸汽在反应堆以外产生，借助于蒸汽发生器实 现，蒸汽压力为6～7MPa。燃料为浓缩铀或MOX燃 料。
锆-2.5铌合金主要成分是2.5%-2.8%（质量） Nb和1000×10-6-1300×10-6O.添加Nb可以使合 金得到强化并提高耐蚀性，少量的氧也可以强化 合金，在合金重要严格的控制有害杂质氢和碳、 氯和磷。前者容易造成合金氢化开裂；后者会降 低其断裂韧性。
锆-2.5铌合金主要性能：
微观组织和断裂韧性
2 裂变反应堆材料
2.1裂变原理和裂变反 应堆 铀-235或钚-239
等重元素的原子核在 吸收一个中子后发生 裂变，分裂成两个质 量大致相同的新原子 核，同时放出2~3个 中子，这些中子又会 引发其他的铀-235或 钚-239原子核裂变， 如此形成链式反应。
聚合物辐照效应
辐照效应（radiation effects）固体材料在中子，离子或电子以及γ射线辐照下所产生的一切现象。
辐照会改变材料的微观结构，导致宏观尺寸和多种性质的变化，对核能技术或空间技术中使用的材料是个重要问题。
在晶体中，辐照产生的各种缺陷一般称为辐照损伤。
对于多数材料而言，主要是离位损伤。
入射离子与材料中的原子核碰撞，一部分能量转换为靶原子的反冲动能，当此动能超过点阵位置的束缚能时，原子便可离位。
最简单的辐照缺陷是孤立的点缺陷，如在金属中的弗仑克尔缺陷对（由一个点阵空位和一个间隙原子组成）。
级联碰撞条件下，在约10 nm 直径的体积内产生数百个空位和数百个间隙原子。
若温度许可，间隙原子和空位可以彼此复合，或扩散到位错、晶界或表面等处而湮没，也可聚集成团或形成位错环。
一般地说，电子或质子照射产生孤立的点缺陷。
而中等能量(10-100KeV)的重离子容易形成空位团及位错环，而中子产生的是两种缺陷兼有。
当材料在较高温度受大剂量辐照时，离位损伤导致肿胀，长大等宏观变化。
肿胀是由于体内均匀产生的空位和间隙原子流向某些漏（如位错）处的量不平衡所致，位错吸收间隙原子比空位多，过剩的空位聚成微孔洞，造成体积胀大而密度降低。
辐照长大只有尺寸改变而无体积变化，仅在各向异性显著的材料中，由于形成位错环的择优取向而造成。
离位损伤造成的种种微观缺陷显然会导致材料力学性能变化，如辐照硬化、脆化以及辐照蠕变等。
辐照缺陷还引起增强扩散，并促使一系列由扩散控制或影响的过程加速进行，诸如溶解，沉淀，偏聚等，并往往导致非平衡态的实现。
对于某些材料如高分子聚合物，陶瓷或硅酸盐等，另一类损伤，即电离损伤也很重要。
入射粒子的另一部分能量转移给材料中的电子，使之激发或电离。
这部分能量可导致健的断裂和辐照分解，相应的引起材料强度丧失，介电击穿强度下降等现象。
结构材料中子辐照后主要产生的效应·1）电离效应：指反应堆中产生的带电粒子和快中子与材料中的原子相碰撞，产生高能离位原子，高能的离位原子与靶原子轨道上的电子发生碰撞，使电子跳离轨道，产生电离的现象。
核辐射的基本原理和特征解析
核辐射的基本原理和特征解析核辐射是指放射性物质释放出的能量或粒子，对周围环境产生影响的过程。
核辐射具有一些独特的特征，它的基本原理和特征值得我们进一步探讨和解析。
首先，核辐射的基本原理是放射性物质的原子核发生自发变化，释放出能量或粒子。
这种自发变化是由于原子核内部的不稳定性引起的，它试图通过释放能量或粒子来达到更稳定的状态。
核辐射主要分为三种类型：α射线、β射线和γ射线。
α射线是由两个质子和两个中子组成的α粒子，具有较大的质量和电荷，能量较低，穿透能力较弱；β射线是由一个电子或正电子组成，具有较小的质量和电荷，能量较高，穿透能力较强；γ射线是电磁波，能量最高，穿透能力最强。
其次，核辐射具有一些特征。
首先是穿透能力。
α射线的穿透能力较弱，能够被一张纸或几厘米的空气层阻挡；β射线的穿透能力较强，能够穿透皮肤和一些薄金属；γ射线的穿透能力最强，能够穿透人体和厚厚的混凝土。
其次是辐射能量。
α射线的能量较低，对人体伤害较小；β射线的能量较高，对人体组织有一定的损害作用；γ射线的能量最高，对人体的伤害最大。
再次是辐射半衰期。
放射性物质的辐射活性会随着时间的推移而衰减，半衰期是指辐射活性衰减到初始值的一半所需的时间。
不同的放射性物质具有不同的半衰期，有的只有几秒钟，有的可以达到数千年。
此外，核辐射对人体和环境产生的影响也是我们关注的焦点。
核辐射对人体的伤害主要表现为辐射病和遗传效应。
辐射病是由于大剂量辐射导致的急性放射病，症状包括恶心、呕吐、腹泻、发热等，严重的甚至会导致死亡。
遗传效应是指辐射对人体细胞的遗传物质DNA造成的损伤，可能导致遗传基因突变和畸形。
此外，核辐射还会对环境产生持久的影响，如污染土壤和水源，破坏生态系统的平衡。
为了保护人类和环境免受核辐射的伤害，我们需要采取一系列的防护措施。
首先是避免接触放射性物质。
尽量远离放射源，避免长时间暴露在辐射环境中。
其次是使用防护装备。
如穿戴防护服、戴上防护面具等，减少辐射对身体的直接接触。
核材料的辐照损伤机制研究
核材料的辐照损伤机制研究在当今的能源领域，核能作为一种高效、清洁的能源形式，具有巨大的潜力和重要性。
然而，核材料在长期的辐照环境下会发生损伤，这严重影响了核反应堆的安全性和可靠性。
因此，深入研究核材料的辐照损伤机制对于核能的可持续发展至关重要。
首先，我们需要了解什么是辐照。
辐照是指高能粒子（如中子、质子、电子等）与物质相互作用，将其能量传递给物质中的原子和分子，从而导致物质的结构和性能发生变化的过程。
在核反应堆中，核燃料（如铀、钚等）和结构材料（如不锈钢、锆合金等）会受到强烈的辐照。
核材料在辐照下会产生多种损伤形式。
其中，最常见的是原子位移。
当高能粒子与原子核发生碰撞时，会将原子核撞离其原来的位置，形成空位和间隙原子。
这些缺陷会破坏晶体的晶格结构，导致材料的力学性能下降，如硬度增加、延展性降低等。
除了原子位移，辐照还会导致材料中的杂质原子聚集和沉淀。
杂质原子在辐照下会获得能量，从而更容易扩散和聚集。
这些杂质的聚集和沉淀会进一步影响材料的性能，例如降低材料的热导率和耐腐蚀性。
此外，辐照还会引发相变。
在高温和辐照的共同作用下，核材料的晶体结构可能会发生转变，从而改变材料的物理和化学性质。
例如，某些金属在辐照下可能会从面心立方结构转变为体心立方结构，导致材料的脆性增加。
那么，辐照损伤是如何影响核材料的性能的呢？首先，辐照损伤会导致核材料的肿胀和变形。
由于空位和间隙原子的产生和聚集，材料的体积会增大，从而引起肿胀。
同时，材料内部的应力分布不均匀，会导致变形和开裂。
其次，辐照损伤会降低核材料的热导率。
材料中的缺陷会阻碍热传递，从而影响反应堆的冷却效果，增加反应堆运行的风险。
再者，辐照损伤会削弱核材料的耐腐蚀性能。
材料表面的缺陷会成为腐蚀介质的侵入通道，加速腐蚀过程，缩短核材料的使用寿命。
为了研究核材料的辐照损伤机制，科学家们采用了多种实验方法和技术。
其中，离子辐照实验是一种常用的手段。
通过向材料表面注入高能离子，可以模拟核反应堆中的辐照环境，从而研究材料的损伤行为。
核辐射效应
核辐射效应
核辐射效应是指核反应产生的辐射对物质和生物体的影响。
核辐射主要包括三种类型：α粒子辐射、β粒子辐射和γ射线辐射。
α粒子辐射是由α粒子组成的，它们是带有两个质子和两个中子的高能粒子。
由于质量较大，α粒子在空气中传播的距离较短，很容易被物质吸收。
当α粒子与物质相互作用时，会导致物质的电离和激发，影响化学键的稳定性，导致细胞和组织的损伤。
β粒子辐射是由β粒子组成的，它们可以是带正电的正电子或带负电的负电子。
β粒子的穿透能力比α粒子强，可以穿过一定厚度的物质。
当β粒子与物质相互作用时，同样会导致电离和激发，引起细胞和组织的损伤。
γ射线辐射是一种高能电磁波辐射，具有很强的穿透能力。
γ射线可以穿透物质并产生电离，对细胞和组织有很强的穿透力和杀伤力。
核辐射对生物体的影响主要包括遗传效应和生物学效应。
遗传效应是指辐射对生物遗传物质的基因组和染色体的损伤，可能导致基因突变和遗传性疾病。
生物学效应是指辐射对细胞、组织和器官的直接影响，可能导致细胞死亡、组织损伤和器官功能障碍。
核辐射对环境的影响也很严重，可以导致土壤、水体和大气中
的污染，影响生态系统的平衡和物种的生存。
因此，对于核辐射的控制和保护非常重要，包括在核设施中采取安全措施，避免辐射泄漏和事故发生，并在核辐射暴露高风险地区进行适当的监测和保护措施，以减少核辐射对人类和环境的危害。
解析辐照的基本概念
解析辐照的基本概念解析辐照的基本概念辐照是指物体受到电磁辐射的作用而发生的一系列变化。
在科学研究和实际应用中，辐照被广泛应用于材料改性、食品保鲜、医疗消毒等领域。
通过辐照，我们可以改变物体的性质和特性，从而达到不同的目的。
1. 辐照的基本原理辐照的基本原理是利用电磁辐射的能量对物质进行作用，进而引发物质内部结构的改变。
电磁辐射有不同的波长和频率，不同波长和频率的辐射对物质的作用也不同。
在辐照过程中，电磁辐射将能量传递给物质的原子和分子，从而改变它们的结构和性质。
2. 辐照的应用领域2.1 材料改性：辐照可以改变材料的物理和化学性质，使其具有更好的性能和特性。
通过辐照可以提高材料的强度、硬度和热稳定性，并改善材料的抗腐蚀性能和尺寸稳定性。
这对于一些特殊材料的制备和应用非常重要，如航天材料、核材料等。
2.2 食品保鲜：辐照可以抑制食品中的微生物生长和酶活性，延长食品的保鲜期。
辐照可以杀灭食品中的病原菌、寄生虫和害虫，从而提高食品的安全性和质量。
辐照还可以减少食品的野味和异味，改善食品的口感和风味。
2.3 医疗消毒：辐照被广泛应用于医疗领域的消毒和灭菌。
辐照可以杀灭细菌、病毒和真菌，从而减少感染的风险。
辐照消毒具有高效、无残留和无细菌耐药性等优点，被广泛应用于医疗器械、药品、生物制品等领域。
3. 辐照的效果评估辐照的效果评估是衡量辐照效果的重要步骤。
评估辐照效果需要考虑多个因素，包括辐照剂量、辐照时间、辐照环境等。
通过对辐照前后物质的性质和特性进行比较分析，可以评估辐照的效果并确定辐照参数的优化。
4. 我对辐照的观点和理解我认为辐照是一种强大而多功能的工具，具有广泛的应用前景。
辐照可以改变材料的性质和特性，为各个领域的研究和应用提供有力支持。
辐照也存在一些问题，如安全性和成本等方面的考虑，需要在实际应用中加以注意和解决。
总结回顾：辐照是利用电磁辐射的能量对物质进行作用，从而改变物质的性质和特性的过程。
核材料辐照效应
第四章
主讲：黄群英
FDS 团队
中国科学技术大学 核科学技术学院 中国科学院 等离子体物理研究所
E-mail: qyhuang@
裂变堆结构与材料
堆芯 堆 内构件 控制
棒 反射层 压力容器
裂变堆原理图
压水堆结构图
聚变堆结构与材料
严酷 服 役环境
》 离位损伤的计算机模拟
模拟和定量计算材料中的级联碰撞和离位原子在材料中的分布形态。
右图为约500个原子的铜单晶点 阵原子的受撞模拟：
图a：级联碰撞过程 图b：缺陷（离位原子和空位） 的分布
注意，本章中离位损伤的计算均未考虑缺陷的回复（如间隙原子与邻近空位的复合）
离位峰和热峰
》 离位峰
Brinkman提出描绘级联碰撞结束时的Frenkel缺 陷分布模型：PKA 的高密度碰撞会驱使沿途碰撞 链上的原子向外运动，因此在级联碰 撞区域中心 附近的缺陷主要是空位，而间隙原子则分布在中 心空位 区的周边外围。这种空位和间隙原子相互 分离的现象称为离位峰。
第一节 辐照原理
1 碰撞与离位 碰撞Hale Waihona Puke 能量传递离位阈能和入射粒子阈能
2 级联与损伤函数 3 离位损伤剂量 离位原子数 计
算机模拟
4 微观结构 离位峰与热峰 沟道
效应和聚焦碰撞 Seeger对离位峰 的修正
碰撞与能量传递
先不考虑晶体效应和原子间的作用势，仅从经 典力学计算。设质量为M1和能量为E0的中子 与质量为 M2的靶原子发生碰撞。
•原子将脱离点阵节点而留下空位，离位原子而不能跳回原位时， 停留在品格间隙之中形成 间隙原子。间隙原子和留下的空位合称 为Frenkel对缺陷，这种损伤类型成为离位。
第五章 辐照效应。
第五章辐照效应辐照损伤是指材料受载能粒子轰击后产生的点缺陷和缺陷团及其演化的离位峰、层错、位错环、贫原子区和微空洞以及析出的新相等。
这些缺陷引起材料性能的宏观变化，称为辐照效应。
辐照效应因危及反应堆安全，深受反应堆设计、制造和运行人员的关注，并是反应堆材料研究的重要内容。
辐照效应包含了冶金与辐照的双重影响，即在原有的成分、组织和工艺对材料性能影响的基础上又增加了辐照产生的缺陷影响，所以是一个涉及面比较广的多学科问题。
其理论比较复杂、模型和假设也比较多。
其中有的已得到证实，有的尚处于假设、推论和研究阶段。
虽然试验表明，辐照对材料性能的影响至今还没有确切的定量规律，但辐照效应与辐照损伤间存在的定性趋势对实践仍有较大的指导意义。
5.1 辐照损伤1. 反应堆结构材料的辐照损伤类型反应堆中射线的种类很多，也很强，但对金属材料而言，主要影响来自快中子，而α，β，和γ的影响则较小。
结构材料在反应堆内受中子辐照后主要产生以下几种效应：1) 电离效应：这是指反应堆内产生的带电粒子和快中子撞出的高能离位原子与靶原子轨道上的电子发生碰撞，而使其跳离轨道的电离现象。
从金属键特征可知，电离时原子外层轨道上丢失的电子，很快被金属中共有的电子所补充，所以电离效应对金属性能影响不大。
但对高分子材料，电离破坏了它的分子键，故对其性能变化的影响较大。
2) 嬗变：受撞原子核吸收一个中子变成异质原子的核反应。
即中子被靶核吸收后，生成一个新核并放出质子或α带电粒子。
例如：嬗变反应对含硼控制材料有影响，其它材料因热中子或在低注量下引起的嬗变反应较少，对性能影响不大。
高注量（如：>1023 n/m 2）的快中子对不锈钢影响明显，其组成元素大多都通过（n,α)和（n,p）反应产生He 和H ，产生辐照脆性。
HeLi n B 427310105+→+H N n O 11167168+→+3) 离位效应：碰撞时，若中子传递给原子的能量足够大，原子将脱离点阵节点而留下一个空位。
核电厂材料_2_第四章材料的辐照效应
离位峰模型
辐照效应
• 金属点阵中存在大量的空位和间隙原子会大大增 加金属的硬度， 降低它的延性。许多材料的体积 会明显增加（如石墨、金属铀）。在各向异性的 晶体中会发生定向生长和严重畸变。
辐照效应
• 位移峰: 一个高能粒子击出的级联碰撞原子趋向于积聚在 粒子运动的初级方向上，影响的区域称为位移峰，其长度 约10nm。被击出的初级位移原子将沿垂直于初级原子径 迹方向，继续运动几个原子的距离，然后停留在间隙位置 上，形成一个间隙原子壳。
这个极小体积所获得的能量在短时间内转变为热能，并 使间隙原子壳发生熔化。在此熔融区内原子重新排列，由 于接着而来的迅速冷却使原子冻结在畸变后的位置上，出 现了包含大量空位和间隙原子的离位峰。
材料的辐照效应
• 2）辐照肿胀 辐照导致材料中产生大量的缺陷，缺陷聚集后产生空
位位错环和间隙位错环。空位位错环不易坍塌，因为核反 应产生的氦气易聚集在空位位错环内，而使其形成三维的 空洞造成体积膨胀；间隙位错环坍塌后在原晶体中多了一 个原子面，使体积增加。因此辐照导致材料的肿胀。
• 辐照肿胀与温度有关。如不锈钢大约在0.3-0.5Tm下辐 照肿胀量最大（当中子通量达1027n/m2时，肿胀可达 15%）。 低于此温度，空位、间隙原子可动性不大，被 冻结在材料中，高于此温度，缺陷复合的机会增加，肿胀 量就会减少。
– 核转化生成异种原子的反应（n, α), ( Nhomakorabea, p)反应
例
10 5
B
n
37
Li 24
He
中子辐照效应的离子束等效模拟
中子辐照效应的离子束等效模拟1. 引言中子辐照效应和离子束等效模拟是当今材料科学和核工程领域中备受关注的重要课题。
中子和离子作为材料辐照的两种方式，在材料的结构、性能和稳定性方面都具有重要影响。
本文将从中子辐照效应和离子束等效模拟的基本概念入手，深入探讨其在材料研究和工程应用中的重要性和前沿发展。
2. 中子辐照效应的基本概念中子辐照是指利用中子对材料进行辐照，通过中子和材料原子核之间的相互作用来改变材料的性能和结构。
中子的高能量和弥散性使得它能够深入材料内部，与原子核产生碰撞，引起晶格缺陷和辐射损伤。
这些辐射损伤包括位错、空位、间隙群等，对材料的机械性能、热学性能和电学性能都有显著影响。
3. 离子束等效模拟的原理和方法离子束等效模拟是将离子束的辐照效应与中子辐照效应进行等效模拟，以实现对材料的辐照效应进行研究和模拟。
通过选择合适的离子种类、能量和通量，可以使离子束辐照在材料中产生与中子辐照类似的损伤和缺陷。
离子束等效模拟的方法主要包括蒙特卡洛模拟、离子注入、退火和离子束辐照实验等。
4. 中子辐照效应和离子束等效模拟在材料科学中的应用中子辐照效应和离子束等效模拟在材料科学中具有广泛的应用前景。
它可以帮助科研人员更好地理解材料在辐照环境下的性能变化规律，为材料设计和改良提供重要参考。
它对核能材料、航空航天材料、核电站材料等领域的应用具有重要意义，可以帮助人们更好地评估辐照环境下材料的稳定性和寿命。
5. 个人观点和展望作为一项重要的材料辐照研究课题，中子辐照效应和离子束等效模拟在当前和未来都将继续发挥重要作用。
随着材料科学和核能工程领域的不断发展，对辐照效应的深入研究和模拟将为新材料的开发和应用提供强大支撑。
我个人认为，未来应该加强中子辐照效应与离子束等效模拟的综合研究，拓宽其在材料科学和工程中的应用领域，并不断提高模拟的准确性和可靠性。
6. 总结中子辐照效应和离子束等效模拟是当今材料科学与核工程领域具有重要意义的前沿课题。
第七讲-核材料的辐照效应
CLAM 钢在450 ℃电子辐照时的微观结构变化. (a) 0 dpa ; (b) 3.6 dpa ; (c) 10 dpa ; (d) 11.5 dpa ; (e) 13.2 dpa ; (f) 13.8 dpa
图 (a) 是刚刚开始辐照时的微观结构. 从中可以看 出,钢中存在一定数量的均匀分布的位错环,位错环 的平均直径为13 nm. 伴随着辐照损伤量的增加,位 错环不断长大,位错环的密度也在增加,当辐照损伤 量达到11.5 dpa 时(图4.1 ( d) ) ,位错环最大,继续 增加辐照损伤量,最大位错环的大小基本保持不变; 但位错环的数密度增加,比较小的位错环继续长大. 从图4.1 中可以看到,当辐照损伤量达到10 dpa (图 4.1 (c) ) 之前,位错环的数密度增加较慢,当辐照损 伤量达到10 dpa (图4.1 (c) ) 以后,位错环的数密度 迅速增加,以至于辐照损伤量达到13.2dpa (图4.1 (e) ) 以后,看到的位错环的分布密度很大;由于在辐 照过程中的每一时刻产生的间隙原子的数量是一 定的,这将产生“位错环直径增长较快时其数密度 增长较慢、位错环直径增长较慢时其数密度增长 较快”的结果.
核材料的辐照效应本质
粒子辐照，特别是中子辐照时，粒子与原子的各种 碰撞效应导致受激发原子的自由迁移，再通过撞击 其他原子导致级联效应的产生。在此过程中，缺陷 萌生、长大，并集中于晶界，甚至于材料表面。微 观的空位、空穴等缺陷长大、集中，发展为介观到 宏观尺度的空洞，最终导致材料的结构变化和损伤， 性能失效。因此，被激发原子的随机迁移性与晶体 内部结构的有序性之间的矛盾是制约晶态合金耐辐 照性的最根本原因。
辐照前12Cr-ODS钢组织形貌
723K双束辐照后氧化物形貌变化
823K双束辐照后氧化物形貌变化
核材料辐照效应
模拟和定量计算材料中的级联碰撞和离位原子在材料中的分布形态。
右图为约500个原子的铜单晶点 阵原子的受撞模拟：
图a：级联碰撞过程 图b：缺陷 （离位原子和空位）
的分布
注意，本章中离位损伤的计算均未考虑缺陷的. 回复（如间隙原子与邻近空位的复合）
离位峰和热峰
》 离位峰
Brinkman提出描绘级联碰撞结束时的Frenkel缺 陷分布模型：PKA的高密度碰撞会驱使沿途碰撞 链上的原子向外运动，因此在级联碰撞区域中心 附近的缺陷主要是空位，而间隙原子则分布在中 心空位区的周边外围。这种空位和间隙原子相互 分离的现象称为离位峰。
.
Brinkman离位峰 热峰周围的温度变化
沟道效应与聚焦碰撞
》 沟道效应
离位原子沿材料中点阵密排晶向围成的间隙腔入 射时，碰撞距离比较长的现象。
沟道效应易出现在级联碰撞的高能阶段。
特点是不产生大量点缺陷。
》 聚焦碰撞
指级联碰撞时每级离位原子的散射角逐级减
小，并按某一晶向以准直线方式传递能量和输 送原子的碰撞过程。
.
碰撞与能量传递
先不考虑晶体效应和原子间的作用势，仅从经 典力学计算。设质量为M1和能量为E0的中子 与质量为M2的靶原子发生碰撞。
》正碰
根据弹性碰撞中能量和动量的守恒方程，可 求出中子传给靶原子的最大能量（二体迎头 正碰撞时） 为
（μ：中子能量损失系数）
》随机碰撞 将直角坐标换成质心系(二体质心同速运动)坐标参数后，代入能
与撞出概率的关系中建立的。
K-P模型有如下许多简化假定： (1) 所有串级碰撞都是同类原子刚性球的二体碰撞； (2) 只计两原子间的作用势，不考虑晶格影响； (3) PKA撞出晶格原子的离位概率Pd(T)与被击原子接受的能量T的关系用单值
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3. 在（2~3）×1019n/cm2的注量后观察到了 空位环和空位间隙，这时产生的空位环主要 是<a>型1/3<1120>环，空位环和间隙环大体 上均衡发展是锆合金的特点，其比例取决于 辐照温度和注量，注量达到 (3~8)×1021n/cm2后还产生<c>型1/6<2023> 环，这只是空位环。与不锈钢不同，中子辐 照下锆合金中未发现空洞的存在。
Zr-4合金的中子辐照生长
对由两厂分别生产的Zr-4包壳管样品在重水
堆内进行中子辐照试验, 辐照温度为610K, 快中
子注量为4.2×1020/cm2(E>1.0MeV)。试验结
果表明, Zr-4管的辐照生长应变随辐照中子注量
增加呈线性增加。两厂生产的Zr-4包壳管的生
长应变可用
表达式描述,
两者的差异可能是合金元素和杂质的综合影响
辐照对拉伸性能的影响
中子辐照铝的微观结构变化
铝的中子辐照实验是与硅的中子辐照同 时进行的。中子辐照时, 纯铝箔(纯度为99. 999% )包裹着硅。中子辐照实验在核反应 堆中进行, 辐照剂量为1015 —1016 neutron / cm2。辐照试样取出后, 放置一定时间, 等 到放射性降低后再对试样进行分析。利用 扫描电子显微镜( SEM) 、透射电子显微镜 ( TEM)和纳米显微力学硬度计对中子辐照 后的纯铝试样进行分析。
随着注量提高到4×1026n/m2，牌号1100技术纯铝不断 提高着强度极限和屈服极限，但相对延伸率仍然完全没变化。 甚至在高注量辐照下，也不会使铝明显脆化。加工变形铝的 特点是，辐照不但提高了强度性能，同时还保持了足够高的 塑性，所以铝的性能辐照后可能比辐照前要好
金属材料受中子轰击后，产生许多缺陷及其衍生 物，如Frenkel对缺陷。离位峰、位错环、层错、贫 原子区、微空洞和嬗变元素等，所以会引起材料性 能发生变化。原因是这些辐照缺陷与基体点阵排列 不同，导致晶格产生畸变，阻碍位错运动，从而引 起强度升高，随之伴生塑、韧性下降和脆性增加。 铝合金辐照性能的变化趋势也符合此规律，但诱发 辐照效应的原因与大多数结构材料略有不同。通常 认为快中子辐照是引起结构材料性能恶化的主要原 因，对铝合金却是热中子比快中子的影响大，如铝 合金在高注量辐照下，除了快中子产生辐照缺陷造 成的硬化外，热中子使Al 嬗变成Si被认为起主要作 用。
辐照对铝性能的影响
中子辐照对纯铝和低合金铝的影响较小，这是因为缺陷 的迁移率甚至低到室温时，任然很高。在反应堆中铝在可能 应用温度范围，从室温到300摄氏度， 或者发生或接近发生 再结晶。
同其他金属一样，在辐照时，铝的强度提高，塑性稍许 下降。退火状态的铝以1.5×1022n/m2注量在30摄氏度下经 辐照，其屈服极限提高2倍，强度极限提高70%，而相对延 伸率比原来值减少67%。在同样条件下，加工变形铝辐照后， 强度极限及屈服极限只提高了6~8倍，而延伸率完全没有变 化。
所致。
二铁合金的粒子辐照效应
1 辐照对12Cr-ODS钢氧化物稳定性影响 利用氢离子（H+）束和电子（e-）束，双束（H+/e-）同时 辐照用化学浸润法制备的新型12Cr-ODS铁素体钢，研究辐 照对12Cr-ODS钢氧化物稳定性的影响。对不同辐照剂量下 原位观察辐照区内氧化物形貌的变化过程发现：辐照前和 15dpa辐照后约10-20nm氧化物的尺寸并没有明显变化，而氧 化物周围出现微小高密度空洞并没有影响氧化物的稳定性。 当辐照温度升高至823K时，大尺寸的氧化物Y2O3与基体的 相界面变得不规则，但氧化物颗粒尺寸并不发生明显变化。 实 弥验散结强果化表相明Y2：O3弥与散铁强素化体相相Y界2O面3尺变寸得稳粗定糙，与无氢明的显存溶在解，现促象进。 铁素体内空位向Y2O3氧化物扩散有关。
第七讲 核材料的辐照效应
杨亮
南京航空航天大学
反应堆材料的辐照问题
反应堆（特别是堆内）晶态合金材料在长期经受各 种粒子、射线辐照，特别是中子辐照时产生结构和 性能的变化。表现为：辐照生长、肿胀、蠕变加快、 氢脆氧化、应力开裂、塑性和韧性下降等。即结构 不稳定，机械、物理、化学性能逐步下降，影响其 服役寿命。
CLAM 钢在450 ℃电子辐照时的微观结构变化. (a) 0 dpa ; (b) 3.6 dpa ; (c) 10 dpa ; (d) 11.5 dpa ; (e) 13.2 dpa ; (f) 13.8 dpa
图 (a) 是刚刚开始辐照时的微观结构. 从中可以看 出,钢中存在一定数量的均匀分布的位错环,位错环 的平均直径为13 nm. 伴随着辐照损伤量的增加,位 错环不断长大,位错环的密度也在增加,当辐照损伤 量达到11.5 dpa 时(图4.1 ( d) ) ,位错环最大,继续 增加辐照损伤量,最大位错环的大小基本保持不变; 但位错环的数密度增加,比较小的位错环继续长大. 从图4.1 中可以看到,当辐照损伤量达到10 dpa (图 4.1 (c) ) 之前,位错环的数密度增加较慢,当辐照损 伤量达到10 dpa (图4.1 (c) ) 以后,位错环的数密度 迅速增加,以至于辐照损伤量达到13.2dpa (图4.1 (e) ) 以后,看到的位错环的分布密度很大;由于在辐 照过程中的每一时刻产生的间隙原子的数量是一 定的,这将产生“位错环直径增长较快时其数密度 增长较慢、位错环直径增长较慢时其数密度增长 较快”的结果.
核材料的辐照效应本质
粒子辐照，特别是中子辐照时，粒子与原子的各种 碰撞效应导致受激发原子的自由迁移，再通过撞击 其他原子导致级联效应的产生。在此过程中，缺陷 萌生、长大，并集中于晶界，甚至于材料表面。微 观的空位、空穴等缺陷长大、集中，发展为介观到 宏观尺度的空洞，最终导致材料的结构变化和损伤， 性能失效。因此，被激发原子的随机迁移性与晶体 内部结构的有序性之间的矛盾是制约晶态合金耐辐 照性的最根本原因。
锆合金辐照生长
锆合金辐照力学行为的变化
中子辐照对锆合金氧化性能的影响
中子辐照, 尤其是快中子辐照导致氧化膜和金属基 体内产生大量原子移位, 形成大量缺陷, 包括点缺 陷、位错和空洞等。其中最简单, 且浓度最大的是 Frankel 缺陷对。这些缺陷势必对氧离子的迁移产 生影响。此外, 由于金属锆氧化后体积增大, 氧化 膜处于压应力状态, 这将导致位错密度的增加; 中 子辐照下, 水将分解生成H2, H2在氧化膜内聚集使 氧化膜脆化; 中子辐照还导致金属基体的脆化和蠕 变, 直接改变氧化膜的应力状态, 甚至使氧化膜开 裂和脱落。
理论计算辐照环境下纳米晶材料的结构变化
A 传统晶态合金
B 纳米晶材料
1 Bai XM, etc., Science, 327, 1631 (2010);
2 Ackland G, Science, 327, 1587 (2010)
一 锆合金的辐照效应
1. 单位体量材料积中位移原子数与原子总数之比 定义为原子位移（dpa），通常以其值来衡的辐 照损伤程度，在典型轻水堆电站中锆合金包壳每 一次循环下所受到的辐照损伤为20(dpa)，约相当 于10-7dpa/s,可见很严重。
生铁在离子辐照前后的显微组织: ( a) 离子辐照前; ( b) 离子辐照后
不锈钢的中子辐照问题
1.不锈钢的辐照肿胀 在高通量中子辐照条件下，会引起不
锈钢的肿胀。下图为Cr17Ni12Mo2钢的肿 胀效应，肿胀显著增加的快中子注入量临 界值约1022n/cm2。
2.辐照后的力学性能
在中子注入量超过1022n/cm2之后，随注入量增 加，抗拉强度明显上升，延伸率明显下降。在高于 540摄氏度的高温拉伸性能，其强度不受中子注量 的影响，但总延伸率随注入增加明显减少。不锈钢 的断裂韧性随辐照剂量的增加明显减少，在高温辐 照条件下，当中子剂量大于10dpa后，其断裂韧性 趋于稳定；低温辐照的断裂韧性随着中子剂量增加 也明显下降。
提高锆合金耐蚀性能的方法
Thorvaldsson用确定累积退火参数A 的最佳范围来制 定最佳热处理工艺; Ogata提出在ASTM 规定的合金元 素成分范围内降低Sn 含量而提高其它合金元素含量可 以提高抗均匀腐蚀和疖状腐蚀的性能; 周邦新提出用最 佳热处理工艺提高锆合金的耐蚀性; Sabo l开发了 ZIRLO 合金, 大幅度提高了耐蚀性能。这一系列方法归 根到底是从改变包壳材料的合金元素分布以提高其耐 蚀性能。为了提高包壳材料的耐蚀性能, 我们既可以进 行耐高温腐蚀的新包壳材料的研制, 又可以对现有包壳 材料进行改进, 如选择最佳热处理工艺、最佳合金成分, 表面激光处理及表面预生膜等方法都是进一步提高锆 合金耐蚀性能的可以尝试的办法。
离子辐照前后实验材料的显微组织
3.450 ℃高能电子辐照对CLAM 钢微观结构 的影响
为了研究低活化马氏体CLAM 钢的抗辐照肿胀性 能,在450 ℃下对CLAM 钢进行大剂量高能电子辐 照的原位动态实验. 利用超高压透射电子显微镜观 察发现,CLAM 钢中产生了大量的间隙原子型位错 环和多面体形状的辐照空洞. 分析了它们的形核和 长大规律以及相关机制. 计算表明,CLAM 钢在高 能电子辐照下的最大肿胀率为0.26 % ,具有较好 的抗辐照肿胀性能.
图 ( a)辐照铝箔(灰面)的形貌, ( b)辐照铝箔(黑面)形貌, ( c)未辐照铝箔的形貌
辐照前12Cr-ODS钢组织形貌
72Байду номын сангаасK双束辐照后氧化物形貌变化
823K双束辐照后氧化物形貌变化
2低活化铁素体/ 马氏体钢离子辐照后的微观 结构变化
采用100 keV 的氢离子在450 摄氏度对两种成分的低活化 铁素体/ 马氏体钢进行了辐照实验; 同时为了对比研究低活 化铁素体/ 马氏体钢中的合金元素在辐照过程中的行为, 将 Fe-10Cr 合金以及纯铁一起进行了离子辐照. 通过透射电 子显微镜观察发现, 当辐照剂量为1×1017 H + / cm2 时, 在 低活化铁素体/ 马氏体钢中产生了一定数量的位错缺陷, 另 外, 发现有大量富含合金元素Cr 的点状析出物产生.