氘在国产RAFM钢中驻留行为研究

来源 :中国工程物理研究院 | 被引量 : 1次 | 上传用户:susan002
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低活化铁素体/马氏体钢(RAFM)被认为是作为聚变堆结构材料中最有应用前景的候选材料。最近的十年间,两种由中国自主研究发展的低活化铁素体/马氏体钢,分别是CLAM钢和CLF-1钢,均得到了一定程度的发展。在实际的工况下,聚变堆结构材料面临着强流中子辐照(14MeV、1014cm-2·s-1、5-80dpa·a-1)、高热负荷(5-20MW·m-2)以及氘氚侵蚀的极端条件。氚作为一种放射性的氢同位素气体进入材料中会产生氢脆现象,驻留在材料中的氚经p-衰变成氦-3积累还会导致更严重的“氦脆和氦损伤”现象。为了解氚进入RAFM钢过程的基础行为规律且利用氘与氚同属于氢的同位素而基本物理化学性质相似的条件,论文中以氘作为研究对象,研究了氘在RAFM钢中的扩散迁移行为以及驻留氘对RAFM钢力学性能的损伤效应。根据气相驱动渗透-四极质谱测量渗氢速率的方法,获得了350~600℃温度范围内氘在两种RAFM钢中的扩散参数。对于CLAM钢,渗透率Φ(mol·m-1·s-1·Pa-1/2)=5.40×10-8 exp(-46.8(kJ·mol-1)/(RT)),扩散系数D(m2·s-1)=3.81×10-7exp(-24.0(kJ·mol-1)/(RT)),溶解度常数S(mol·m-3·Pa-1/2)=1.42×10-1exp(-22.8(kJ·mol-1)/(RT));而对于CLF-1钢,氘渗透率Φ扩散系数D及溶解度常数S随温度的变化关系分别为:Φ(mol·m-1·s-1·Pa-1/2)=1.76×10-8exp(-43.9(kJ·mol-1)/(RT)), D(m2·s-1)=1.02×10-7exp(-16.9(kJ·mol-1)/(RT)),S(mol·m-3·Pa-1/2 )=1.73×10-1exp(-27.0(kJ·mol-1)/(RT))。氘在两种国产RAFM钢中的扩散参数测量结果表明,CLAM钢及CLF-1钢的氘扩散系数比3xx系列奥氏体不锈钢高1-2个数量级而溶解度常数低数倍,最终导致氘的渗透系数较后者高1个数量级左右;其中,CLAM钢中氘的渗透特性稍高于CLF-1钢,更有利于其中驻留氢同位素的释放。500℃、5bar饱和充氘样品的力学拉伸试验表明,CLAM钢和CLF-1钢氢致断面收缩率损减率分别为18.65%和45.98%,相比3xx类型的奥氏体钢表现出更强的氢脆敏感性。其中,CLF-1钢相比于CLAM钢表现出了更强的氢脆敏感性,一方面是因为CLF-1钢中与氢相互作用能力较弱的铬含量更低,另一方面是因为CLF-1钢的板条回火马氏体结构提供更稳定的氢捕获陷阱,同时CLF-1钢基体晶粒尺寸更小,因此拥有更多的界面捕获并容纳氢原子,导致其滞留氢同位素的能力更强而产生更严重的氢损伤效应。
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