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碳達峰和碳中和的提出展現(xiàn)了我國為全球氣候保護作出更大貢獻和致力于共建人類命運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，其反應原理如圖1所示。

圖1 反應原理圖

從圖1可以看出，核裂變在產生大量能量的同時，也會產生核廢料，其處理一直是個難題。而反觀核聚變，釋放的能量更大且產物為無污染的氦，因此得到了人們的廣泛關注。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中國聚變工程實驗堆)設計中的關鍵之一，目前依照中國聚變能發(fā)展路線圖，21世紀20年代我國將具備建造CFETR一期的能力，對包層結構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，核嬗變反應產生的氦、氫也會對包層結構材料產生沖擊，影響材料的性能，進而影響包層材料的使用壽命。

目前，粉末冶金技術和鑄造工藝成形是包層結構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構材料，為了更好地發(fā)揮包層的輻射屏蔽作用，需要對這兩種材料進行離位損傷方面的研究。文中以CLAM鋼和釩合金為研究對象，為了更好的觀察兩種基體之間的差異，在選材時增加了純鐵和純釩用于對比。

聚變堆中高達14MeV的中子能量目前無法進行實驗，因此對材料輻照損傷的研究主要依靠離子輻照模擬和實驗。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)軟件來研究離子在固體中的射程、阻止和損傷等模擬。通過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，該研究對低活化材料在CFETR服役條件下的正常運行具有參考意義。

通過SRIM軟件的Stopping and range table功能，可以計算出不同的離子能量所能達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。

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

進行SRIM模擬，首先要進行射程的選擇，通過SRIM導出的文件確定注入能量，離子注入能量對應的深度如圖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系

為了后續(xù)便于與透射電鏡相關數(shù)據(jù)作對比，選擇峰值在300 nm左右所對應的離子能量，可以確定得到的離子注入能量及離子注入靶材料模擬過程的具體實驗參數(shù)，見表3。

表3 離子注入靶材料對應的能量

確定注入離子種類和注入能量后，進行空位參數(shù)的模擬，即dpa的模擬計算。通過SRIM的“Ion Distribution and quick calculation of damage”模式進行模擬，輸入靶材料的各元素原子質量比和注入能量，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參數(shù)設定完畢后，運行SRIM。模擬運行結束后，通過VANCANCY.TXT及相關文件獲得空位濃度，計算dpa。

當載能離子進入到靶材料中時，會與點陣原子發(fā)生一連串的碰撞，該碰撞大致分為兩個過程：初級碰撞過程和級聯(lián)碰撞過程。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)的粒子碰撞運動軌跡截面圖。

圖3 注入純Fe的粒子碰撞運動軌跡

圖4 注入CLAM鋼的粒子碰撞運動軌跡

圖5 注入純V的粒子碰撞運動軌跡

圖6 注入V-4Cr-4Ti合金的粒子碰撞運動軌跡

圖3～圖6中，紅色代表入射離子的運動軌跡，黑色點代表停止在靶材料內部的入射離子，綠色以及其他顏色代表反沖原子。對比圖中最后呈現(xiàn)的運動軌跡，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動方向存在不確定性以及級聯(lián)碰撞及離位損傷的嚴重性。

dpa的計算依據(jù)缺陷的散射截面和離子注入劑量，通過公式(1)進行計算。

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注入時間和注入過程的束流速度計算獲得。對于缺陷的散射截面，需要通過公式(2)導出。

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

對材料來說，碰撞離子所誘導的空位濃度與注入深度相關，因此不同的深度下的注入劑量并不相同。基體的原子濃度和離子注入誘導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果進行計算。為了便于對比，試驗的注入劑量選擇He離子注入純釩造成10 dpa離子損傷所需的離子劑量，通過計算可得總束流為2.42×10¹⁷ ion/cm²，在此束流下依次計算出H、D、He離子注入這四種材料所造成的dpa，計算獲得的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等人也通過純釩和釩合金的對比實驗發(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。當相同的離子種類和離子劑量注入靶材料時，釩中所產生的dpa更低，這說明，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。離子注入誘導出的空位和空位團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。Ti原子的尺寸大于V原子的尺寸，Ti的溶質原子可以捕獲空位和空位團簇，從而有效的抑制這些空位團簇的遷移。

表4 峰值附近各靶材料的dpa

對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，這主要是因為He離子的注入誘導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位錯環(huán)的生長，而且位錯環(huán)的尺寸較大，He原子極易捕獲空位形成He-V團簇，而He在結構材料中的積累會促進空腔成核，進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為研究對象，通過SRIM軟件模擬離子注入結構材料形成的離位損傷程度。得到了以下結論：

(1)通過對純鐵與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幾的靶材料中，其dpa的產生值相近。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)作為目前包層結構材料的高級選擇，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，這說明He離子對低活化材料的輻照損傷遠遠大于H離子和D離子，H離子的輻照損傷最小。