核反应堆用ODS钢的抗辐照性能研究进展

王会　马春春　陈美英　孙建刚

摘 要：ODS钢以其优异的高温力学性能和抗辐照性能，被公认是最有希望的第四代先进裂变堆和聚变堆候选结构材料之一。本文简要介绍了核反应堆结构材料的辐照损伤现象，ODS钢的性能强化机理以及辐照条件下ODS钢的变化，分析了目前研究中存在的问题，为后期控制和减少ODS钢中的辐照损伤提供一定的理论基础，为完善ODS钢的制备工艺提供一定的参考依据，对于核电站的安全高效运行具有一定的参考作用。

关键词：ODS钢;辐照损伤;纳米氧化物

0 引言

核能被公认是唯一可替代化石能源，保障人类生存发展的清洁能源。结构材料一直是制约核能发展的主要因素之一，核反应堆结构材料长期处于高辐照、热机械交变载荷和化学反应环境同时存在的苛刻条件，会出现辐照损伤现象，降低材料性能，危害核反应堆安全。第四代先进裂变堆及聚变堆中更高的温度及辐照强度对服役材料提出更高的要求，需要结构材料具备更优异的高温强度和抗辐照性能等。

纳米结构氧化物弥散强化钢（ODS钢）具有优异的高温强度及蠕变断裂强度，有效抑制了辐照肿胀及氦脆，被公认是最有希望的第四代先进裂变堆候选结构材料和聚变堆第一壁/包层候选结构材料。但长时间的高温高辐照环境导致ODS钢中纳米氧化物颗粒出现形状改变、尺寸减小等不稳定现象，使得ODS钢出现辐照脆化及硬化，延展性降低等不利影响。

因此，提高ODS钢的稳定性显得尤为重要。本文通过分析材料的辐照损伤以及ODS钢的强化机理，总结不同辐照下ODS钢的变化，为提高ODS钢的稳定性提供进一步研究的思路。

1 材料的辐照损伤现象

核反应堆内的高能粒子辐照材料时，会引入过饱和的点缺陷，点缺陷扩散迁移过程中，部分相互聚集形成层错，转变成位错环。空位相互聚集也会形成层错四面体和空洞。

辐照产生的晶体缺陷会使金属材料的组织结构发生变化，进而影响材料的力学性能，出现辐照硬化、辐照肿胀及辐照偏析等辐照损伤现象。辐照产生的缺陷会钉扎位错，阻碍位错的运动，产生辐照硬化，使得材料屈服强度提高，降低其力学性能;空位聚集形成空洞，会使晶体材料的密度降低，体积膨胀，诱发辐照肿胀现象，造成堆内紧固件断裂，也会加剧恶化其他辐照损伤;过饱和点缺陷向晶界扩散过程中，合金元素也随之扩散，导致辐照偏析现象，使得晶界处抗腐蚀能力大大下降，从而诱发晶界处应力腐蚀开裂。结构材料长期处于核反应堆极端恶劣环境中，辐照损伤现象会降低结构材料的力学性能及抗辐照性能，严重危害核反应堆安全。

2 ODS钢性能研究

体心立方结构的铁素体/马氏体钢拥有优良的抗肿胀能力，还拥有较好的抗韧性--脆性转变温度，较高的热导率和低的热膨胀系数。但高温强度不足，容易在晶界聚集形成粗大的氦泡，导致氦脆。利用粉末冶金技术，通过机械合金化使Y、Ti、O固溶到低活化铁素体/马氏体钢（RAFM钢）母合金粉中，在后续的热固化过程中析出纳米级别的Y-Ti-O氧化物颗粒，这种含有纳米氧化物结构的RAFM钢被称为ODS钢。

ODS钢主要通过位错强化、细晶强化和弥散强化三种方式提升其性能。位错强化和细晶强化来源于机械合金化过程中，球磨对合金颗粒的反复破碎和挤压，会使得材料的晶粒快速减小到纳米级，并产生高密度的位错纠缠。最重要的是弥散强化，主要来源于粉末成形过程中产生的大量纳米氧化物颗粒，因其本身的稳定和耐高温性，可以显著提高材料的高温强度及蠕变断裂强度等高温力学性能。弥散分布的粒子成为位錯运动的阻碍，这种位错与粒子的交互作用通常用Orowan模型强化机制来解释，临界切应力可表示为：

σ*=Gb/L（2-1）

式中，σ*为临界切应力，L为硬粒子间距，G为基体的切变模量。位错与粒子的交互作用的结果是形成位错环，增加了位错滑移阻力并使强度迅速增大。

高度弥散的纳米氧化物可以显著提高ODS钢的抗辐照性能。氧化物颗粒可以钉扎辐照产生的缺陷，使空位和间隙原子弥散于材料中，使得高密度的空位无法在晶界处聚集长大，从而避免在晶界上形成粗大的空位团，极大提高了材料的抗肿胀性能。大量的纳米氧化物可以俘获聚变反应中嬗变产生的氦，使得氦以纳米尺寸的氦泡形式弥散在材料中，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 辐照下ODS钢的变化

研究发现，ODS钢在低剂量的辐照下具备良好的稳定性，但随着辐照剂量的增加，钢中纳米氧化物出现形状改变、尺寸减小等现象。辐照剂量对氧化物稳定性有一定影响，高能量的辐照可能更容易引起氧化物的变化。

辐照方式的差异也对氧化物变化有一定影响。Russell K C等人研究认为高能粒子的撞击使得氧化物中的溶质原子被撞离出来，受到点缺陷扩散的影响导致氧化物溶解;Allen等人研究表明500～700℃，150dpa的重离子辐照能够使氧化物颗粒尺寸减小，密度增大，认为重离子的碰撞以及级联效应引起了氧化物的变化。Monnet I等人发1MeV的He离子辐照条件下，氧化物不会发生任何变化，但在1 MeV的电子辐照下，氧化物出现半径减小等现象，认为点缺陷扩散是造成氧化物溶解的主要机制。虽然学者们对此做了大量研究，但由于辐照条件和样品种类的差异，至今仍未明确证明氧化物分解的机理。

4 ODS钢发展需要解决的问题

ODS钢优异的力学性能和抗辐照性能主要取决于高度弥散的纳米氧化物，因此纳米氧化物的稳定性至关重要。

若想研究氧化物颗粒分解的主导因素，需要对相同的样品进行多组对照实验，分别研究温度，辐照方式等因素对氧化物变化的影响，采取TEM、APT、SANS和同步辐射光源等先进的分析测试方法对辐照后的样品进行分析对比，进而明确氧化物颗粒分解的机理。

研究不同辐照条件对ODS钢中氧化物稳定性的影响，分析氧化物颗粒变化机理，可为减少ODS钢中的辐照损伤进行前瞻性的探索，为完善ODS钢的制备工艺提供一定的理论基础与参考依据。

参考文献：

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[6]何培，姚伟志，吕建明.ODS钢的抗辐照设计及纳米第二相粒子表征的研究进展[J].材料导报，2018，32（1）：34-40.

作者简介：

王会（1993- ），男，汉族，北京，硕士，工程师。