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碳達(dá)峰和碳中和的提出展現(xiàn)了我國(guó)為全球氣候保護(hù)作出更大貢獻(xiàn)和致力于共建人類命運(yùn)共同體的決心和意志，尋找一種可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石能源而且清潔、產(chǎn)能高的新能源變得尤為重要。核能作為一種可大規(guī)模發(fā)展的替代能源，毋庸置疑是未來(lái)能源的不二之選。核能的利用主要有兩種途徑：核裂變能和核聚變能，其反應(yīng)原理如圖1所示。

圖1 反應(yīng)原理圖

從圖1可以看出，核裂變?cè)诋a(chǎn)生大量能量的同時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生核廢料，其處理一直是個(gè)難題。而反觀核聚變，釋放的能量更大且產(chǎn)物為無(wú)污染的氦，因此得到了人們的廣泛關(guān)注。聚變堆中的包層是靠近等離子體的重要部件，也是CFETR(China Fusion Engineering Test Reactor中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵之一，目前依照中國(guó)聚變能發(fā)展路線圖，21世紀(jì)20年代我國(guó)將具備建造CFETR一期的能力，對(duì)包層結(jié)構(gòu)材料的要求是能抵抗大約10 dpa(Displacement per atom)聚變中子的輻照。另外，核嬗變反應(yīng)產(chǎn)生的氦、氫也會(huì)對(duì)包層結(jié)構(gòu)材料產(chǎn)生沖擊，影響材料的性能，進(jìn)而影響包層材料的使用壽命。

目前，粉末冶金技術(shù)和鑄造工藝成形是包層結(jié)構(gòu)材料的兩種制備方式，其中利用鑄造工藝制備出的CLAM鋼(China Low Activation Martensitic steel)和釩合金是潛在的包層候選結(jié)構(gòu)材料，為了更好地發(fā)揮包層的輻射屏蔽作用，需要對(duì)這兩種材料進(jìn)行離位損傷方面的研究。文中以CLAM鋼和釩合金為研究對(duì)象，為了更好的觀察兩種基體之間的差異，在選材時(shí)增加了純鐵和純釩用于對(duì)比。

聚變堆中高達(dá)14MeV的中子能量目前無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，因此對(duì)材料輻照損傷的研究主要依靠離子輻照模擬和實(shí)驗(yàn)。為了更好地模擬包層在核聚變中的服役環(huán)境，選擇的離子為氫離子、氘離子、氦離子，采用SRIM(Stopping and Range of Ions in Matter)軟件來(lái)研究離子在固體中的射程、阻止和損傷等模擬。通過(guò)SRIM模擬離子分別注入純鐵、CLAM鋼、純釩和釩合金以觀察材料的抗輻照能力，該研究對(duì)低活化材料在CFETR服役條件下的正常運(yùn)行具有參考意義。

通過(guò)SRIM軟件的Stopping and range table功能，可以計(jì)算出不同的離子能量所能達(dá)到的離位損傷峰值深度，根據(jù)所需要的離位損傷峰值深度選擇離子能量。從VANCANCY.TXT文件中可以計(jì)算得到離位損傷程度dpa，表1和表2分別為靶材料釩合金和CLAM鋼的成分組成以及性能特點(diǎn)。

表1 釩合金和CLAM鋼的參數(shù)

表2 釩合金和CLAM鋼的主要性能特點(diǎn)

進(jìn)行SRIM模擬，首先要進(jìn)行射程的選擇，通過(guò)SRIM導(dǎo)出的文件確定注入能量，離子注入能量對(duì)應(yīng)的深度如圖2所示。在SRIM軟件的Stopping and range table功能下模擬H、D、He分別注入純鐵、CLAM鋼、純釩及釩合金V-4Cr-4Ti。

(b)純鐵

   (d)釩合金V-4Cr-4Ti

圖2 各離子注入能量與深度的關(guān)系

為了后續(xù)便于與透射電鏡相關(guān)數(shù)據(jù)作對(duì)比，選擇峰值在300 nm左右所對(duì)應(yīng)的離子能量，可以確定得到的離子注入能量及離子注入靶材料模擬過(guò)程的具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)，見(jiàn)表3。

表3 離子注入靶材料對(duì)應(yīng)的能量

確定注入離子種類和注入能量后，進(jìn)行空位參數(shù)的模擬，即dpa的模擬計(jì)算。通過(guò)SRIM的“Ion Distribution and quick calculation of damage”模式進(jìn)行模擬，輸入靶材料的各元素原子質(zhì)量比和注入能量，根據(jù)不同的條件選擇注入H、D、He離子，離子模擬注入粒子總數(shù)為99 999，注入離子及靶材料等相關(guān)參數(shù)設(shè)定完畢后，運(yùn)行SRIM。模擬運(yùn)行結(jié)束后，通過(guò)VANCANCY.TXT及相關(guān)文件獲得空位濃度，計(jì)算dpa。

當(dāng)載能離子進(jìn)入到靶材料中時(shí)，會(huì)與點(diǎn)陣原子發(fā)生一連串的碰撞，該碰撞大致分為兩個(gè)過(guò)程：初級(jí)碰撞過(guò)程和級(jí)聯(lián)碰撞過(guò)程。圖3、圖4、圖5、圖6分別為H、D、He分別注入靶材料(純鐵、CLAM鋼、純釩、釩合金V-4Cr-4Ti)的粒子碰撞運(yùn)動(dòng)軌跡截面圖。

圖3 注入純Fe的粒子碰撞運(yùn)動(dòng)軌跡

圖4 注入CLAM鋼的粒子碰撞運(yùn)動(dòng)軌跡

圖5 注入純V的粒子碰撞運(yùn)動(dòng)軌跡

圖6 注入V-4Cr-4Ti合金的粒子碰撞運(yùn)動(dòng)軌跡

圖3～圖6中，紅色代表入射離子的運(yùn)動(dòng)軌跡，黑色點(diǎn)代表停止在靶材料內(nèi)部的入射離子，綠色以及其他顏色代表反沖原子。對(duì)比圖中最后呈現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，它類似于束的形狀，入射H離子形成的束更密集，入射He離子形成的束更發(fā)散。從圖中均可以看出離子碰撞后運(yùn)動(dòng)方向存在不確定性以及級(jí)聯(lián)碰撞及離位損傷的嚴(yán)重性。

dpa的計(jì)算依據(jù)缺陷的散射截面和離子注入劑量，通過(guò)公式(1)進(jìn)行計(jì)算。

式中，dpa表示離位損傷;表示缺陷的散射截面，cm²/ion;表示離子注入劑量，ion/cm²。

離子的注入劑量可以通過(guò)注入時(shí)間和注入過(guò)程的束流速度計(jì)算獲得。對(duì)于缺陷的散射截面，需要通過(guò)公式(2)導(dǎo)出。

式中，表示離子注入誘導(dǎo)的空位濃度，number/(?·ion);表示基體的原子濃度，number/cm³。

對(duì)材料來(lái)說(shuō)，碰撞離子所誘導(dǎo)的空位濃度與注入深度相關(guān)，因此不同的深度下的注入劑量并不相同?；w的原子濃度和離子注入誘導(dǎo)的空位濃度都可以在VANCANCY.TXT文件中獲得。

先用He離子在80 keV的入射能量下注入純鐵所獲得的模擬結(jié)果進(jìn)行計(jì)算。為了便于對(duì)比，試驗(yàn)的注入劑量選擇He離子注入純釩造成10 dpa離子損傷所需的離子劑量，通過(guò)計(jì)算可得總束流為2.42×10¹⁷ ion/cm²，在此束流下依次計(jì)算出H、D、He離子注入這四種材料所造成的dpa，計(jì)算獲得的dpa如圖7所示。其中在300 nm處各靶材料的dpa如表4所示。

圖7 離子注入引起的離位損傷

根據(jù)圖7的dpa結(jié)果，分別觀察了純鐵和CLAM鋼、純釩和釩合金的平均原子離位損傷，由于基體相同且密度相差不大，純鐵與CLAM鋼的dpa值相近，而純釩與釩合金的dpa值相近。Yitao Yang等人也通過(guò)純釩和釩合金的對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在同等劑量離子注入的情況下，原子的離位損傷相差較小。

從圖7中還可以清晰地看出：不論是H離子、D離子還是He離子注入，在峰值處釩基體(純釩和釩合金)比鐵基體(純鐵和CLAM鋼)的原子離位損傷更低。當(dāng)相同的離子種類和離子劑量注入靶材料時(shí)，釩中所產(chǎn)生的dpa更低，這說(shuō)明，與以鐵為基體的材料相比，以釩為基體的材料具有更優(yōu)良的抗輻照性能。離子注入誘導(dǎo)出的空位和空位團(tuán)簇是影響原子離位損傷的重要因素，研究表明，在釩合金中的缺陷累積速率較慢，這可能是由于釩合金中Ti的原子尺寸效應(yīng)。Ti原子的尺寸大于V原子的尺寸，Ti的溶質(zhì)原子可以捕獲空位和空位團(tuán)簇，從而有效的抑制這些空位團(tuán)簇的遷移。

表4 峰值附近各靶材料的dpa

對(duì)比三種離子注入造成的離位損傷，He離子造成的dpa高于D和H離子造成的損傷數(shù)倍，這主要是因?yàn)镠e離子的注入誘導(dǎo)出了更多的原子空位，有研究發(fā)現(xiàn)，He離子注入之后能夠顯著地促進(jìn)位錯(cuò)環(huán)的生長(zhǎng)，而且位錯(cuò)環(huán)的尺寸較大，He原子極易捕獲空位形成He-V團(tuán)簇，而He在結(jié)構(gòu)材料中的積累會(huì)促進(jìn)空腔成核，進(jìn)而造成更大的原子位移損傷。

以純鐵、CLAM鋼、純釩和釩合金V-4Cr-4Ti為研究對(duì)象，通過(guò)SRIM軟件模擬離子注入結(jié)構(gòu)材料形成的離位損傷程度。得到了以下結(jié)論：

(1)通過(guò)對(duì)純鐵與CLAM鋼、純釩與釩合金V-4Cr-4Ti的離位損傷分析發(fā)現(xiàn)，同種離子注入基體相同或密度相差無(wú)幾的靶材料中，其dpa的產(chǎn)生值相近。而以釩為基體的純釩和釩合金V-4Cr-4Ti相較于以鐵為基體的純鐵和CLAM鋼具有更優(yōu)越的抗中子和He、H的能力。

(2)作為目前包層結(jié)構(gòu)材料的高級(jí)選擇，釩合金V-4Cr-4Ti在H、D、He三種離子注入后比CLAM鋼展現(xiàn)出更好的抗中子輻照能力。

(3)在三種注入離子中，He離子可以誘導(dǎo)出更多的空位，而空位正是造成離位損傷dpa的主要原因，這說(shuō)明He離子對(duì)低活化材料的輻照損傷遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于H離子和D離子，H離子的輻照損傷最小。