质子辐照A508-3钢微结构演变规律

姜葳

摘 要:用高注量质子辐照模拟A508-3钢中子辐照,辐照注量相当于反应堆压力容器正常运行20年、40年、60年、80年和100年所遭受的快中子注量。分析材料微观结构的演变。

关键词:A508-3钢质子辐照辐照硬化纳米压痕

中图分类号:TL341 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)07(c)-0156-01

基于低碳经济、能源结构调整的需求,核电工业的发展大为加速。在役核电站长期运行的安全性和可靠性显得尤为重要。反应堆压力容器(RPV)作为压水堆核电站中唯一不可更换的安全相关的重大设备。它是防止核电站放射性泄漏的最主要屏障,其使用寿命决定了整个核电站的寿命。中子辐照脆化是RPV材料性能退化的最主要机制,直接制约着RPV的使用寿命。每个RPV都制定有辐照监督计划,用以监测RPV中子辐照脆化程度。为了更精确评估RPV寿命后期的高注量中子辐照脆化行为,需要增加高注量范围的实验数据和探明高注量范围的辐照脆化机理。

1 高注量质子辐照国产RPV钢实验

1.1 实验样品制备

实验采用的是国产A508-3钢,材料的成分如表1所示。

A508-3钢的制造工艺是冶炼、锻造、锻后热处理、调制处理。从压力容器壁厚的四分之一处取样,取样后用砂纸磨制后先进行机械抛光,再进行化学抛光,最后用丙酮溶液和酒精溶液清洗。

1.2 质子辐照A508-3钢实验

处理好的试样安装前先黏在铜板上,再嵌在不锈钢试样台上,最后固定于离子机上。实验中对试样的辐照注量因模拟反应堆压力容器RPV钢正常运行20年、40年、60年、80年和100年中子辐照量而设定如表2所示。注入温度保持在室温水平。

2 实验分析

2.1 正电子寿命技术分析

正电子寿命是指正电子的热化结束到湮没时间的间隔。将未辐照试样和编号1至5的试样进行正电子寿命普分析。经过对数据进行处理后,得到正电子三组分寿命和对应的强度结果(τ1:τ2:τ3 ,I1:I2:I3).对于存在缺陷的样品需要拟合出平均寿命τm和体寿命τb。短寿命值τ1在辐照后有所上升,但上升幅度不大。这是因辐照过程中的级联碰撞使得原子离位,进而基体中的空位变多。平均寿命和体寿命基本不随辐照注量的增加而改变,处于一定的平稳状态。实验观察到的平均寿命普遍低于一定数值,可以看出随着注量的逐渐增加,平均寿命不是无限度的增加,即辐照后没有形成很大尺寸的空位团。空位团或空洞捕获正电子寿命的寿命是由τ2代表的,两者之间基本呈正相关的关系。实验采用的质子辐照模拟,因其质量小,能量也较小,所以碰撞时传递的能量也很小,此时级联碰撞产生的原子移位也很小,即使增大了注量,原子移位的改变也不会很大,因此τ2 的改变不大,说明空位团随注量增加的变化不明显。

2.2 慢正电子谱分析

慢正电子束技术对普通正电子寿命谱技术难以研究的近表面和表面缺陷有较好的研究效果。将高能正电子利用慢化体慢化得到电子伏特量级的低能正电子,由磁场通过运输、加速和聚焦,最后来获得单能慢正电子束。慢正电子湮多普勒展宽普为了表征湮没的性质,采用S和W两个参数。S代表了在510.24-511.76KeV能量范围内计数和总的计数之间的比率。一般来说,参数S越大,缺陷的体积越大。从试样的注量逐渐上升过程中,参数S也基本随着注量的增加而处于上升趋势。但是3号和4号试样的参数S曲线处于异常高的情况,这种情况可能是由于试样在实验的过程中发生了氧化造成的。

2.3 纳米硬度实验分析

准静态压入模式测量不同辐照的注量辐照后的试样的纳米硬度值,未被辐照的试样其纳米硬度值最低,随着辐照注量的增加,试样的纳米硬度值有不断增加的趋势,一直增加到5号样品的纳米硬度值,增加的趋势还未停止,这是由于当前设置的注量还不是非常大。这种纳米硬度值随辐照注量增加的情况,是由于辐照引起了一系列的基体缺陷,对位错造成了钉扎作用,使得位错滑移困难。这种纳米硬度增加的现象机符合了辐照硬化。另一种测试为连续刚度测试模式,此时压入的深度越大,纳米硬度值越小,有着明显的基体效应,未辐照的试样同样是处于最低的状态。在这种模式下,同样可以观察到辐照硬化的现象。

3 结论

根据对未辐照试样和不同注量辐照不同试样的分析比较,可以获得如下结论:

(1) 正电子寿命谱:平均寿命和体寿命的变化不太大,且平均寿命低于一定数值,短值寿命因辐照而略有增加,说明未形成大尺寸的空位团。

(2) 慢正电子多普勒展宽谱解谱:质子辐照诱发的缺陷浓度先是快速增加,然后增加的速度减缓,直到趋于饱和。

(3) 纳米压痕:辐照硬化的现象出现,未辐照的试样纳米硬度值最低,随着辐照注量的增加,试样的纳米硬度值增加,并且在相当于服役100年的辐照注量下,辐照硬化还未达到饱和。

4 结语

本次试验采用质子辐照反应堆压力容器RPV钢,对辐照效应下RPV钢的微结构演变分析出一定的规律。但是由于注入反应时的温度控制在室温,而反应堆的中子辐照问题基本在288℃所以与实际工作环境下的材料结构演变存在一定的偏差。相信随着实验设备的不断发展,实验技术的不断改进,可以制定出更贴近RPV钢在实际工作环境下的模拟实验方案。

参考文献

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