包壳材料的辐照损伤及腐蚀模拟试验研究
核工程中的辐射环境下的材料损伤研究
核工程中的辐射环境下的材料损伤研究一直是材料科学领域中备受关注的重要课题。
随着核能产业的发展和广泛应用，对于辐射下材料的性能变化和损伤机制的研究愈发迫切。
本文将对核工程中辐射环境下材料损伤研究领域进行探讨和总结，深入分析不同类型材料在辐射环境下的行为变化和损伤机理，为更好地理解和应对核工程中的辐射损伤问题提供参考。
I. Introduction核工程是一项高风险和高技术含量的领域，辐射环境下的材料损伤一直是制约核工程发展的重要问题。
在核反应堆中，高能中子和γ射线不断发生核反应，与材料相互作用，导致材料结构和性能发生变化，甚至出现严重的损伤。
因此，对核工程中的辐射环境下材料损伤进行深入研究，对于提高核工程的安全性和可靠性至关重要。
II. Types of Radiation Damage in Nuclear Engineering核工程中的辐射损伤主要包括核辐射造成的排列损伤、位错损伤、空位和气泡等微观缺陷，以及辐射引起的晶格缺陷和晶界变形等宏观结构性破坏。
不同类型的辐射对材料的影响各不相同，而排列损伤和位错损伤往往是造成材料疲劳与断裂的重要原因。
III. Effects of Radiation Damage on Material Properties辐射环境下的材料损伤会导致材料力学性能、热性能和电性能等方面发生改变。
在辐射环境中，材料的硬度、韧性和延展性等性能可能会降低，而材料的疲劳寿命和抗蠕变能力也会受到影响。
此外，辐射还可能引起材料的晶界漂移、孔洞形成和氦气聚集等现象，严重影响材料的使用寿命和安全性。
IV. Radiation Damage Mechanisms in Different Materials不同类型的材料在辐射环境下表现出不同的损伤机制。
金属材料通常受到辐射损伤后发生位错运动和位错聚集的影响，导致材料硬化和脆化；而氧化物和半导体材料则更容易形成气泡和位错环等缺陷，降低材料的稳定性和性能。
核电材料辐照损伤的多尺度高通量计算模拟
第19卷第1期装备环境工程2022年1月EQUIPMENT ENVIRONMENTAL ENGINEERING·1·核电材料辐照损伤的多尺度高通量计算模拟薛飞1，王忆2,1，刘向兵1，赖文生2，季骅1,2，刘剑波2，柳百新2（1.苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 215004；2.清华大学，北京 100084）摘要：反应堆压力容器用钢等核电材料在持续服役中，由于中子辐照造成其内部缺陷不断累积，致使材料组织结构损伤、性能劣化，对核电安全运行形成潜在威胁。
多尺度计算模拟是探索辐照缺陷演化机理的有效手段，结合等效缺陷结构理论，有望实现核电材料服役行为的高效评价与预测。
文中综述了多尺度计算模拟在核电材料辐照缺陷演化相关研究领域的进展，并对缺陷结构的多尺度演化本质及相应的多尺度高通量计算模拟方法进行了分析讨论。
结果表明，通过缺陷结构特征能量等效传递的方法可以实现从第一性原理计算到缺陷扩散反应动力学等高通量计算模拟的跨尺度耦合；通过多尺度高通量计算模拟得到的缺陷演化热力学和动力学数据，可以搭建用于预测核电材料长期服役行为的材料基因工程数据库；在材料缺陷结构特征能量-组织结构-性能关联性探讨基础上，应用高通量计算模拟，辅以高通量实验数据验证，有望建立基于材料基因组结构能的服役安全工程模型。
关键词：核电材料；辐照缺陷；多尺度模拟；高通量计算；材料基因组结构能中图分类号：TG111 文献标识码：A 文章编号：1672-9242(2022)01-0001-10DOI：10.7643/ issn.1672-9242.2022.01.001. All Rights Reserved.Radiation Damage of Nuclear Power Materials: A Review of theMulti-Scale High-Throughput SimulationsXUE Fei1, WANG Yi2,1, LIU Xiang-bing1, LAI Wen-sheng2, JI Hua1,2, LIU Jian-bo2, LIU Bai-xin2(1.Suzhou Nuclear Power Research Institute, Suzhou 215004, China; 2.Tsinghua University, Beijing 100084, China)ABSTRACT: The nuclear power materials are subjected to chronic neutron irradiation, during which radiation defects accumu-late to degrade the material structure and properties, leading to potential threat of safety of nuclear power plants. The frameworkof multi-scale high-throughput simulations is a keystone on revealing the mechanisms of radiation defect evolution, which mayfulfill the life and performance prediction based on the concept of equivalent defect structures. In this paper, the recent devel-opment of multi-scale high-throughput simulations on the defect evolution in nuclear power materials is reviewed. First, themulti-scale nature of the evolution of defect structures is introduced. Then, the state-of-the-art multi-scale simulation techniques收稿日期：2021-05-25；修订日期：2021-07-20Received：2021-05-25；Revised：2021-07-20基金项目：国家重点研发计划资助项目（2017YFB0702200）Fund：Supported by the National Key Research and Development Program of China (2017YFB0702200)作者简介：薛飞（1975—），男，博士，研究员级高工，主要研究方向为核电站老化与寿命管理技术。
多维合环境下反应堆用镍基合金辐照加速腐蚀失效机理研究
多维合环境下反应堆用镍基合金辐照加速腐蚀失效机理研究1. 引言在核能开发领域，反应堆是重要的能源生产工具。
然而，放射性物质的存在以及高温、高压、高辐照等多种环境因素对反应堆材料的耐腐蚀性能提出了极高的要求。
镍基合金作为一种重要的反应堆材料，在复杂的辐照环境下，面临着压力应力腐蚀、辐照引起的各种变形以及脆化等多方面的挑战。
本文将针对多维合环境下反应堆中使用的镍基合金进行研究，探索其辐照加速腐蚀失效机理。
2. 镍基合金的研究现状（1）镍基合金在反应堆中的应用反应堆压水容器、循环水系统以及燃料元件等都采用镍基合金作为材料。
镍基合金在高温高压下具有良好的耐腐蚀性能，可以有效地抵御腐蚀、热应力等多种因素对材料的损害。
（2）镍基合金的腐蚀与失效然而，在多维合环境下，镍基合金也会出现各种程度的腐蚀现象，从而导致材料失效。
反应堆中的辐射环境、高温、高压下的腐蚀、加速过程中的变形等都会影响镍基合金的耐腐蚀性能。
腐蚀后，反应堆材料内部表面发生了各种化学反应，从而导致微观结构的改变，引发了材料的失效。
3. 反应堆环境下镍基合金的腐蚀失效机理（1）辐射效应反应堆辐射会对镍基合金的中微子反应、离子辐照等造成影响，从而导致材料的变形和腐蚀。
辐射造成了材料内的位错和晶粒缺陷，使得学风更加松散，其排列密度降低，从而形成了自耗辐射阻力。
自耗辐射阻力是阻碍新位错或缺陷的移动和重新排列的障碍，从而导致了材料的加速失效。
（2）腐蚀效应在反应堆中，除了辐射因素外，高温、高压下的腐蚀也是导致镍基合金失效的主要因素。
在水中，反应堆中的氧化成分、硫化成分及杂质等都会对反应堆材料造成腐蚀。
同时，反应堆材料表面致密的表面保护层也可能被破坏，从而导致材料局部腐蚀和失效。
（3）变形效应反应堆材料的变形是由于温度变化、压力变化、辐射等引起的。
变形会导致材料的应力集中，从而引起材料的腐蚀和失效。
例如，在通常情况下，镍基合金制品的塑性损伤主要是由于微观应力集中所导致。
氦离子辐照非晶态合金的表顶损伤研究
氦离子辐照非晶态合金的表顶损伤研究氦离子辐照是一种常见的实验方法，用于研究材料的抗辐照损伤能力。
最近的研究表明，氦离子辐照对非晶态合金的表面损伤有着显著的影响。
本篇文章将会介绍氦离子辐照在非晶态合金表面的应用以及相关的研究成果。
1. 什么是氦离子辐照？氦离子辐照是利用氦离子对材料样品进行放射性辐照的实验方法。
这种方法可以模拟出一些高能粒子的辐照效应，是材料研究领域中的重要实验手段之一。
2. 氦离子辐照在非晶态合金表面上的应用氦离子辐照通过产生大量的氦原子，可以对非晶合金的表面进行高能量的辐照。
这些氦原子会与非晶合金中的原子发生碰撞，从而形成表面损伤。
这种损伤可以模拟出一些高能粒子对材料的损伤效应。
3. 氦离子辐照对非晶态合金表面的损伤最近的研究表明，氦离子辐照可以对非晶合金的表面造成显著的损伤。
这种损伤表现为各种缺陷和位错，可能会导致合金的性能下降。
然而，一些研究也发现，在适当的氦离子剂量下，氦离子辐照可以加强非晶态合金的抗损伤能力。
4. 氦离子辐照非晶态合金的表顶损伤研究成果近年来，许多研究已经进行了氦离子辐照非晶态合金的表顶损伤研究。
这些研究表明，氦离子辐照可以增加非晶态合金的位错密度和形变能，从而提高合金的抗损伤能力。
此外，一些研究还发现，在特定氦离子剂量下，氦离子辐照可以引入大量的空位，这可能会导致合金的疏松化和力学性能的下降。
综上所述，氦离子辐照是一种重要的材料辐照实验方法，可以模拟出高能粒子对合金的损伤效应。
最近的研究表明，氦离子辐照可以对非晶态合金的表面造成显著的损伤，但适当的氦离子剂量下，氦离子辐照也可以提高非晶态合金的抗损伤能力。
我们相信，在未来的科研探索中，氦离子辐照将会发挥越来越重要的作用。
半导体材料质子辐照损伤效应仿真
半导体材料质子辐照损伤效应仿真在半导体材料研究领域，质子辐照对于材料的损伤效应是一个重要的研究课题。
质子辐照损伤是指质子束作用于半导体材料中的原子和晶体缺陷，导致材料结构和性能发生改变的现象。
了解和模拟质子辐照损伤效应对于优化半导体材料的设计和应用至关重要。
因此，针对半导体材料质子辐照损伤效应的研究，开展相应的仿真分析是一种有效的方法。
质子辐照损伤效应的研究主要包括两个方面：辐照引起的晶体缺陷形成和其对材料性能的影响。
辐照会引发原子的位移和晶体的缺陷形成，例如空位、间位和脆性桥接。
这些晶格缺陷可能导致材料的电学、光学、热学和机械性能发生变化。
因此，模拟质子辐照损伤效应需要考虑辐射诱导的位移和晶体缺陷形成与材料性能之间的关联。
质子辐照引起的晶体缺陷主要通过分子静力学（Molecular Statics）或分子动力学（Molecular Dynamics）模拟进行研究。
分子静力学方法利用势能函数来描述原子之间的相互作用，并通过最小化总能量来得到材料的平衡结构。
而分子动力学方法则通过模拟原子在时间上的运动，通过牛顿方程和势能函数相互作用，来模拟材料在辐照下的动态演化过程。
在质子辐照效应仿真中，研究者通常会使用尺寸比较小的模型进行模拟，以减少计算成本。
辐照损伤的程度可以通过输入质子注入能量、注入深度和注入密度等参数来控制。
通过改变这些参数的数值，可以模拟不同辐照条件下材料的损伤效应。
同时，研究者还可以运用不同的晶体学方向、晶体结构以及缺陷密度来研究质子辐照对材料性能的影响。
此外，实验数据的获取也是验证仿真结果的关键。
通过与实验进行比对，可以验证仿真模型的准确性和可靠性。
现在，许多研究机构和实验室都在开展质子辐照效应的实验研究，并提供了相关的实验数据用于研究人员进行仿真模型的验证。
质子辐照损伤效应仿真的研究不仅对于理论研究有重要意义，也具有实际应用的价值。
在半导体器件的设计和制造过程中，质子辐照损伤可能导致器件的性能降低，影响其寿命和可靠性。
核反应堆材料辐射损伤模拟和损害预测理论构建
核反应堆材料辐射损伤模拟和损害预测理论构建核能作为一种可再生、清洁的能源形式，正在在全球范围内得到越来越广泛的应用。
然而，核能的应用也带来了核反应堆材料的辐射损伤问题。
为了确保核反应堆的高效、安全运行，需要对核反应堆材料的辐射损伤进行模拟和预测，以及构建相应的理论。
核反应堆材料受到辐射的主要形式是中子辐照。
中子辐照会导致材料中原子发生碰撞，产生位错、空位、脆性相的形成等失效机制，从而影响材料的性能。
因此，建立适当的模型来模拟核反应堆材料的辐射损伤是非常重要的。
对于核反应堆材料的辐射损伤模拟，首先需要建立中子传输方程。
中子传输方程描述了中子在材料中的传播行为，包括中子的散射、吸收和裂变等过程。
通过求解中子传输方程，可以得到材料中的中子通量分布，从而确定辐射损伤的分布情况。
在求解中子传输方程时，需要考虑散射截面、吸收截面和裂变截面等物理参数。
这些物理参数以及衍生的辅助参数通常需要通过实验或计算来得到。
因此，需要开展大量的实验和计算工作，以获取这些参数的准确值。
除了中子传输方程，还需要考虑辐射诱导缺陷的形成和演化过程。
在材料中，中子的能量会引起原子的散射，造成原子位置改变，从而引发位错和空位的生成。
位错与晶体的其他缺陷相互作用，导致辐射损伤的累积。
通过理论模拟和实验研究，可以分析和预测材料中缺陷形成和演化的特征。
基于以上的模拟和研究，可以构建核反应堆材料辐射损伤预测的理论模型。
该模型可以用于评估材料在实际工作条件下的辐射损伤情况，预测材料的寿命，为核反应堆的运行和维护提供参考。
此外，为了提高模拟和预测结果的准确性，还需要建立材料的实时监测与评估体系。
这个体系可以通过传感器等设备对材料进行实时监测，获取材料在实际运行过程中的辐射损伤数据，以验证模拟和预测结果的准确性，并及时提供维护建议。
核反应堆材料辐射损伤模拟和损害预测的理论构建是一个复杂而重要的工作。
它不仅可以帮助我们更好地理解核反应堆材料的辐射损伤机制，还可以为核能的安全运行提供可靠的技术支持。
国产快堆燃料元件包壳材料316不锈钢的中子辐照效应
摘 要
介绍国产六种不同成分与工艺的快堆燃料元件包壳材料 316 不 锈钢 (316SS) 经 650 ℃高温、 积分中子注量 3.1×1021 n/cm2 (En＞0.1 MeV) 的辐照概况，以及辐照后在 650 ℃与室温下的拉伸力学性能 试验和金相检查的结果及评述。
关键词：316 不锈钢 中子注量 力学性能 金相检查
(In Chinese)
中 国 核 情 报 中 心 China Nuclear Information Centre
10
CNIC-01716 SINRE-0107
国产快堆燃料元件包壳材料 316 不锈钢的中子辐照效应
毛林彬 杨治全 单润华 税忠伟 尹顺玖 鲁长龙 (中国核动力研究设计院，成都，610005) 彭小明
ABSTRACT
The irradiation experiments on the homemade 316 stainless steel of six kinds of chemical composition with different treatment technology used for fast reactor fuel element cladding material are introduced. The materials have been irradiated in the High Flux Engineering Test Reactor (HFETR) to a fluence of 3.1 × 1021 neutorn/cm2 (＞0.1 MeV) at 650 ℃ and subsequently tension has been tested at the same irradiation temperature and room temperature. Microstructure of the some tensile specimens were examined. The experiment results are analyzed and assessed.
第2讲 金属材料的辐照损伤
金属材料的组织与性能10μm组织是指用金相观察方法观察材料内部时看到的涉及晶体或晶粒大小、方向、形状排列状况等组成关系的组成20钢退火态组织照片304不锈钢SEM照片变形304钢TEM照片AFM/MFM图像250nmα'γ纳米晶粒与重原子探针团簇100 nm纳米复合铁素体合金三叉晶界10 晶界123孪晶结构1. 70%Cu-30%Zn合金孪晶结构2. 奥氏体不锈钢的孪晶结构3. 奥氏体不锈钢的孪晶结构位错结构1. TEM下观察到316L不锈钢(00Cr17Ni14Mo2)的位错线与位错缠结2. 马氏体钢固溶处理后急冷残余奥氏体中的位错011g200 nm3. Fe-40at%Al(B2)单晶体室温变形后的位错结构。
塑性应变ε= 13 %,位错密度ρ= 2.4×1010cm-2.镍中的位错共析钢-珠光体球化珠光体低碳钢-珠光体 1.4% carbon steel 铁素体Ferrite含部分残余奥氏体的马氏体Fe-30Ni-0.31C钢的马氏体针状马氏体以德国科学家Adolph Martens命名的Fe-0.43C-2Si-3Mn钢部分转变形成的上贝氏体组织(a) 光学显微照片(b,c) 明场和暗场像(d) 羽毛状组织(a)光学显微照片(b) TEM照片普通碳钢的下贝氏体组织A类，碳化物在晶界析出B类，重结晶后，碳化物在原始晶界网状析出B类，重结晶后，碳化物在晶内和原始晶界网状析出非晶体纯铁的显微组织晶界、晶粒、取向空间点阵、晶格β≠90°空间点阵几何规律的基本空间单元，一般取最小平行六面体。
面心立方(fcc) 体心立方(b cc)密排六方(h cpa(c/a=1.63434a234a c+2 62 8 120.74 0.68 0.741212 0.2 0.291R0.225R6 60.40.154R<100.633R<1100.414R面缺陷固溶强化细晶强化沉淀强化/第二相强化相变强化位错塞积+=i s σσ形变强化：S ＝K εn级联/串级碰撞离位峰的原始形式离位峰附近留下的晶体缺陷离位原子级数越高，能量越小，运行距离Frenkel位部分空位与间隙原子相遇，复合、消失空位与间隙原子遇到位错、晶界后被复合空位与间隙原子各自通过聚集、崩塌，形在间隙原子的迁移过程中，产生某些元素的原子碰撞后释放的能量可使离位峰内局部微区的温度上升得很高，形成一个热峰热峰是局部微区温度急升骤降的现象。
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厦大固体所相关研究基础
1、零维纳米结构不稳定性研究；
2、零维有机无机纳米球壳结构复合技术研究；
3、零维纳米结构大面积可控制备组装技术研究
4 、零维纳米结构大面积环境传感器原型研究
零维纳米结构不稳定性研究基础
1.1纳米粒子(np)和纳米孔(nc)反对称关系 np: 表面负曲率、表面张应力、低”德拜温度”、低熔点、易脱附 nc: 表面正曲率、表面压应力、高”德拜温度”、高熔点、易吸附
Zhu XF, J Phys: Condensed Matter, 15(2003) L253-261, Zhu XF et al, Inter J Nanotechnology, 3(2006) 492-516(特邀综述),
零维纳米结构不稳定性研究基础
1.2 纳米粒子和纳米孔不稳定性
因受与纳米曲曲率 有关的表面能驱动 • np 膨胀融化 • nc 收缩凝聚
国内外研究现状和发展趋势 基于单个金属纳米颗粒的气敏探测器件
贵金属纳米颗粒对被测分子的吸附，会引起纳米颗粒的 表面等离子体振荡峰(SPR)移动，实现气敏和生物化学环境检 测。
国内外研究现状和发展趋势
基于纳米球壳结构的敏感生物环境传感器
Mei理论模拟预言,相对单相银纳米颗粒, 生物环境中有 机玻璃/银有机无机纳米球壳复合结构使SPR共振峰红移到生 物窗口，且峰宽变窄,峰移更快和敏感。
零维纳米结构大面积可控制备组装技术研究基础
3.4 气相沉积退火形成硅基片上氧硅锌铜化合物定向 多孔结构
With ZnO source
Without ZnO source (control sample)
零维纳米结构大面积可控制备组装技术研究基础
3.5 溶液浸渍倾斜基片重力自组装技术
PMMA纳米球
3.2 斜角气相沉积纳米阵列结构 rotation 纳米光刻制备的周期有序钨形核晶籽
阴影效应 200nm step titled + rotated
θ titled
硅 titled onlyFra bibliotek硅零维纳米结构大面积可控制备组装技术研究基础
3.3 纳米台阶化学气相沉积纳米阵列结构
氧化锌纳米阵列结构
纳米熟化
比经典热力学描述 的要快
预 言 结 果
Zhu XF, J Phys: Condensed Matter, 15(2003) L253-261, Zhu XF et al, J Phys: APL, 79(2001) 3416-3418
零维有机无机纳米球壳结构复合技术 研究基础 特点:
包覆银前 PMMA纳 米粒子
PMMA/Ag纳米球壳结构 被检测生物分子
峰移更敏感 峰宽变窄 峰位红移 300-1100nm 生物窗口
朱贤方等, 未发表工作
存在的问题
1、非平衡低维(尤其是零维)纳米结构不稳定性问 题尚未正确理解和控制; 2、缺乏对零维纳米结构表面结构和物理化学性 能(如吸附性能)真正理解和设计,目前仅局限于其 大表面积效应理解; 3 、 较少打破传统材料种类局限, 进行零维纳米结 构复合(或者复合结果很差), 尤其是有机无机球壳 纳米结构复合； 4、缺乏成本低可操作性强的宏观大面积周期、 有序可控组装技术; 5 因此,零维纳米结构传感器尚存在信号弱、敏感 性差、信号不稳定、重复差、信号不可设计和工艺 不可确定等一系列严重问题。
零维纳米结构大面积可控制备组装技术研究基础
重大科学研究计划项目申请内容介绍 项目名称：面向环境探测的宏观尺度纳米结构 的构筑与应用基础研究
(申请纳米研究之 三、2.方向)
项目负责人： 孟 国 文
申报单位：中国科学院合肥物质科学研究院 参加单位：中科院固体所、清华大学、 浙江大学、山东大学、厦门大学
课题设置及承担单位
本项目设置如下5个课题： 01课题：零维纳米单元构筑宏观尺度纳米结构及其 环境敏感性研究；(厦门大学、固体所) 02课题：宏观尺度纳米线阵列的构筑及其对微流体 响应特性研究；(固体所、浙江大学) 03课题：宏观尺度异质复杂纳米结构设计、构筑的 新原理与新方法研究；(固体所)
国内外研究现状和发展趋势
零维纳米结构正由单相、个体、随机生长迈向多相、 多元可控复合制备和大面积、周期、有序组装, 以期 实现其功能化。 其功能化目标之一:利用零维纳米结构极强表面吸 附和其他化学物理特性构筑环境传感器, 实现对人类 生存环境和生物环境成本低、高度灵敏监测和检测, 以确保人类安全和生命健康。
特点： 溶胶-凝胶过程(仅在室 温);
设备简单、成本低、工 艺参数简单;
成密排结构
零维纳米结构大面积可控制备组装技术研究基础
3.6电沉积技术和溶液浸渍技术
大尺度单层胶体晶体模板(直径2厘米)。左图：样品的真实照片， 右图为左图的局域FESEM照片。
在这种模板的基础上，发展了宏观尺度零维纳米结构阵列的构筑 技术 ，如：(i)电沉积技术；(ii)溶液浸渍技术。 相关派生技术，如两步复型构筑技术、模板漂浮构筑技术等。这 些技术具有一定的普适性、适合于许多材料。
零维纳米结构大面积可控制备组装技 术研究基础
3.1高度可控纳米光刻阵列结构 PMMA纳米结构
特点：
加相应软件可在任何扫 描电镜上实现;
200nm
花样图案完全由计算机 设计; 最小结构可达10nm; 基片和纳米结构材料种 类可灵活改变;
金 量 子 点
为周期有序纳米组装或 生长提供了最关键技术
零维纳米结构大面积可控制备组装技术研究基础
制备出单分散(直径分 布均匀、表面光滑)的 PMMA纳米球芯; 利用硅和硫官能团表面 改性实现了键性过渡; 在纳米尺度, 实现了 PMMA球芯表面银膜均 匀致密包覆;
包覆银后 PMMA/ 银纳米球 壳结构 100 nm
克服纳米粒子极大表面 能,实现了纳米粒子间 较好机械分离;
为下一步零维纳米结构 大面积优越性能传感器 组装打下了良好基础
04课题：用于有害气体痕量探测的大尺度纳米结构 的无束缚可控生长研究；(清华大学)
05课题：由纳米孔构筑的宏观尺度金属纳米材料的 功能化设计。 (山东大学)
课题01: 零维纳米单元构筑宏观尺度纳米 结构及其环境敏感性研究 课题负责人：朱贤方 厦门大学中国澳大利亚联合功能纳米 材料实验室 中国科学院固体物理研究所