姜葳

摘 要:用高注量質(zhì)子輻照模擬A508-3鋼中子輻照,輻照注量相當(dāng)于反應(yīng)堆壓力容器正常運(yùn)行20年、40年、60年、80年和100年所遭受的快中子注量。分析材料微觀結(jié)構(gòu)的演變。

關(guān)鍵詞:A508-3鋼質(zhì)子輻照輻照硬化納米壓痕

中圖分類號(hào):TL341 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2012)07(c)-0156-01

基于低碳經(jīng)濟(jì)、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的需求,核電工業(yè)的發(fā)展大為加速。在役核電站長(zhǎng)期運(yùn)行的安全性和可靠性顯得尤為重要。反應(yīng)堆壓力容器(RPV)作為壓水堆核電站中唯一不可更換的安全相關(guān)的重大設(shè)備。它是防止核電站放射性泄漏的最主要屏障,其使用壽命決定了整個(gè)核電站的壽命。中子輻照脆化是RPV材料性能退化的最主要機(jī)制,直接制約著RPV的使用壽命。每個(gè)RPV都制定有輻照監(jiān)督計(jì)劃,用以監(jiān)測(cè)RPV中子輻照脆化程度。為了更精確評(píng)估RPV壽命后期的高注量中子輻照脆化行為,需要增加高注量范圍的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和探明高注量范圍的輻照脆化機(jī)理。

1 高注量質(zhì)子輻照國(guó)產(chǎn)RPV鋼實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品制備

實(shí)驗(yàn)采用的是國(guó)產(chǎn)A508-3鋼,材料的成分如表1所示。

A508-3鋼的制造工藝是冶煉、鍛造、鍛后熱處理、調(diào)制處理。從壓力容器壁厚的四分之一處取樣,取樣后用砂紙磨制后先進(jìn)行機(jī)械拋光,再進(jìn)行化學(xué)拋光,最后用丙酮溶液和酒精溶液清洗。

1.2 質(zhì)子輻照A508-3鋼實(shí)驗(yàn)

處理好的試樣安裝前先黏在銅板上,再嵌在不銹鋼試樣臺(tái)上,最后固定于離子機(jī)上。實(shí)驗(yàn)中對(duì)試樣的輻照注量因模擬反應(yīng)堆壓力容器RPV鋼正常運(yùn)行20年、40年、60年、80年和100年中子輻照量而設(shè)定如表2所示。注入溫度保持在室溫水平。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 正電子壽命技術(shù)分析

正電子壽命是指正電子的熱化結(jié)束到湮沒(méi)時(shí)間的間隔。將未輻照試樣和編號(hào)1至5的試樣進(jìn)行正電子壽命普分析。經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后,得到正電子三組分壽命和對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度結(jié)果(τ1:τ2:τ3 ,I1:I2:I3).對(duì)于存在缺陷的樣品需要擬合出平均壽命τm和體壽命τb。短壽命值τ1在輻照后有所上升,但上升幅度不大。這是因輻照過(guò)程中的級(jí)聯(lián)碰撞使得原子離位,進(jìn)而基體中的空位變多。平均壽命和體壽命基本不隨輻照注量的增加而改變,處于一定的平穩(wěn)狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)觀察到的平均壽命普遍低于一定數(shù)值,可以看出隨著注量的逐漸增加,平均壽命不是無(wú)限度的增加,即輻照后沒(méi)有形成很大尺寸的空位團(tuán)。空位團(tuán)或空洞捕獲正電子壽命的壽命是由τ2代表的,兩者之間基本呈正相關(guān)的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)采用的質(zhì)子輻照模擬,因其質(zhì)量小,能量也較小,所以碰撞時(shí)傳遞的能量也很小,此時(shí)級(jí)聯(lián)碰撞產(chǎn)生的原子移位也很小,即使增大了注量,原子移位的改變也不會(huì)很大,因此τ2 的改變不大,說(shuō)明空位團(tuán)隨注量增加的變化不明顯。

2.2 慢正電子譜分析

慢正電子束技術(shù)對(duì)普通正電子壽命譜技術(shù)難以研究的近表面和表面缺陷有較好的研究效果。將高能正電子利用慢化體慢化得到電子伏特量級(jí)的低能正電子,由磁場(chǎng)通過(guò)運(yùn)輸、加速和聚焦,最后來(lái)獲得單能慢正電子束。慢正電子湮多普勒展寬普為了表征湮沒(méi)的性質(zhì),采用S和W兩個(gè)參數(shù)。S代表了在510.24-511.76KeV能量范圍內(nèi)計(jì)數(shù)和總的計(jì)數(shù)之間的比率。一般來(lái)說(shuō),參數(shù)S越大,缺陷的體積越大。從試樣的注量逐漸上升過(guò)程中,參數(shù)S也基本隨著注量的增加而處于上升趨勢(shì)。但是3號(hào)和4號(hào)試樣的參數(shù)S曲線處于異常高的情況,這種情況可能是由于試樣在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中發(fā)生了氧化造成的。

2.3 納米硬度實(shí)驗(yàn)分析

準(zhǔn)靜態(tài)壓入模式測(cè)量不同輻照的注量輻照后的試樣的納米硬度值,未被輻照的試樣其納米硬度值最低,隨著輻照注量的增加,試樣的納米硬度值有不斷增加的趨勢(shì),一直增加到5號(hào)樣品的納米硬度值,增加的趨勢(shì)還未停止,這是由于當(dāng)前設(shè)置的注量還不是非常大。這種納米硬度值隨輻照注量增加的情況,是由于輻照引起了一系列的基體缺陷,對(duì)位錯(cuò)造成了釘扎作用,使得位錯(cuò)滑移困難。這種納米硬度增加的現(xiàn)象機(jī)符合了輻照硬化。另一種測(cè)試為連續(xù)剛度測(cè)試模式,此時(shí)壓入的深度越大,納米硬度值越小,有著明顯的基體效應(yīng),未輻照的試樣同樣是處于最低的狀態(tài)。在這種模式下,同樣可以觀察到輻照硬化的現(xiàn)象。

3 結(jié)論

根據(jù)對(duì)未輻照試樣和不同注量輻照不同試樣的分析比較,可以獲得如下結(jié)論:

(1) 正電子壽命譜:平均壽命和體壽命的變化不太大,且平均壽命低于一定數(shù)值,短值壽命因輻照而略有增加,說(shuō)明未形成大尺寸的空位團(tuán)。

(2) 慢正電子多普勒展寬譜解譜:質(zhì)子輻照誘發(fā)的缺陷濃度先是快速增加,然后增加的速度減緩,直到趨于飽和。

(3) 納米壓痕:輻照硬化的現(xiàn)象出現(xiàn),未輻照的試樣納米硬度值最低,隨著輻照注量的增加,試樣的納米硬度值增加,并且在相當(dāng)于服役100年的輻照注量下,輻照硬化還未達(dá)到飽和。

4 結(jié)語(yǔ)

本次試驗(yàn)采用質(zhì)子輻照反應(yīng)堆壓力容器RPV鋼,對(duì)輻照效應(yīng)下RPV鋼的微結(jié)構(gòu)演變分析出一定的規(guī)律。但是由于注入反應(yīng)時(shí)的溫度控制在室溫,而反應(yīng)堆的中子輻照問(wèn)題基本在288℃所以與實(shí)際工作環(huán)境下的材料結(jié)構(gòu)演變存在一定的偏差。相信隨著實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不斷發(fā)展,實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷改進(jìn),可以制定出更貼近RPV鋼在實(shí)際工作環(huán)境下的模擬實(shí)驗(yàn)方案。

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