核石墨耐輻照性能的評價(jià)方法

核石墨耐輻照性能的評價(jià)方法付曉剛;李正操;張政軍【摘要】在高溫氣冷堆運(yùn)行過程中作為堆內(nèi)構(gòu)件的石墨經(jīng)受高溫和快中子的輻照,會經(jīng)歷先收縮后膨脹的宏觀尺寸形變，并在膨脹至原始尺寸時(shí)到達(dá)使用壽命.在石墨尺寸形變的過程中石墨內(nèi)部氣孔的結(jié)構(gòu)和數(shù)目均有明顯變化.當(dāng)輻照劑量接近使用壽命時(shí)石墨內(nèi)部氣孔數(shù)目明顯增加，導(dǎo)致其力學(xué)性能急劇下降而退出服役.He+、C+、Xe+離子輻照實(shí)驗(yàn)表明，在200keV1014cm-2Xe+離子輻照下石墨氣孔形貌變化明顯.這一結(jié)果可作為石墨輻照性能的評價(jià)方法.【期刊名稱】《原子能科學(xué)技術(shù)》【年(卷)，期】2010(044)006【總頁數(shù)】4頁(P686-689)【關(guān)鍵詞】核石墨;離子束輻照損失;Raman光譜;氣孔【作者】付曉剛;李正操漲政軍【作者單位】清華大學(xué)，材料科學(xué)與工程系先進(jìn)材料實(shí)驗(yàn)室，北京,100084;清華大學(xué),材料科學(xué)與工程系,先進(jìn)材料實(shí)驗(yàn)室，北京,100084;清華大學(xué)，材料科學(xué)與工程系,先進(jìn)材料實(shí)驗(yàn)室，北京,100084【正文語種】中文【中圖分類】TL342石墨具有良好的核性能和高溫力學(xué)性能,是高溫氣冷堆堆芯唯一可選擇的結(jié)構(gòu)材料和反射層材料。目前，高溫氣冷堆內(nèi)的結(jié)構(gòu)材料主要選擇各向同性度在1.0~1.1間的各向同性石墨。在高溫中子輻照下，中子不斷與石墨發(fā)生彈性碰撞而使石墨產(chǎn)生大量缺陷，并引起理化性能和宏觀尺寸的變化。石墨耐輻照性能的優(yōu)劣是根據(jù)石墨宏觀尺寸形變與中子輻照劑量間的關(guān)系來評價(jià)的，即在中子輻照時(shí)石墨所經(jīng)歷的先收縮后膨脹過程中，恢復(fù)到原始尺寸的輻照劑量越高，石墨的耐輻照性能越好［1-5］。目前，我國核石墨的制備技術(shù)和中子輻照實(shí)驗(yàn)尚不成熟,不能進(jìn)行系統(tǒng)性研究。因此，可利用離子束輻照下石墨表面氣孔形貌的變化來評價(jià)石墨耐輻照性能的優(yōu)劣。本工作對國內(nèi)夕卜核石墨進(jìn)行不同條件下的離子束輻照實(shí)驗(yàn)，利用偏光顯微鏡觀察輻照后石墨表面氣孔形貌的變化,以此來評價(jià)核石墨的耐輻照性能。1實(shí)驗(yàn)樣品與方法本實(shí)驗(yàn)所用石墨樣品為日本東洋碳素有限公司的IG-11、德國西格里公司的NBG-18和國內(nèi)生產(chǎn)的HSM-SC,它們的部分制備工藝和性能如表1所列。上述3種石墨經(jīng)拋光后分別進(jìn)行不同能量和劑量的He+、C+、Xe+離子輻照實(shí)驗(yàn)。為準(zhǔn)確研究不同輻照條件下石墨氣孔形貌的變化規(guī)律，須對石墨表面進(jìn)行標(biāo)記。因此輻照前用刻刀在石墨拋光表面劃出2mmx2mm的正方形，然后用偏光顯微鏡記錄下2mmx2mm區(qū)域內(nèi)石墨的氣孔形貌，以便與輻照后石墨的氣孔形貌進(jìn)行對比。表1石墨的制備工藝和性能Table1Manufactureprocessandpropertyofgraphite2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論He+離子束輻照石墨氣孔形貌的變化對IG-11、NBG-18和HSM-SC拋光表面進(jìn)行20keV5x1016cm-2He+離子輻照，輻照后用偏光顯微鏡觀察。輻照前后3種石墨的氣孔形貌的觀察結(jié)果示于圖1。由圖1可知,IG-11氣孔形貌基本未發(fā)生變化;NBG-18在無氣孔區(qū)域內(nèi)有小氣孔產(chǎn)生HSM-SC左上角處也有小氣孔產(chǎn)生。IG-11內(nèi)無氣孔形貌變化，說明IG-11的耐輻照能力優(yōu)于NBG-18和HSMSC。將NBG-18表面產(chǎn)生的氣孔放大，如圖2所示。由圖2可知，在NBG-18表面上氣孔較少區(qū)域有新氣孔產(chǎn)生，原始?xì)饪赘浇緹o新氣孔產(chǎn)生。這說明，氣孔的產(chǎn)生與輻照后石墨表面的應(yīng)力釋放有關(guān)。在離子束輻照下,石墨微晶縱向膨脹，橫向收縮。上述微晶膨脹行為首先被Mrozowski微裂紋吸收[6],然后部分形變被周圍的微米級氣孔吸收。在氣孔較少的區(qū)域,Mrozowski微裂紋的空間被微晶形變占據(jù)后，繼續(xù)膨脹的微晶便會相互擠壓而產(chǎn)生局部應(yīng)力。當(dāng)局部應(yīng)力大于一定數(shù)值時(shí)，石墨表面便會出現(xiàn)裂紋，并進(jìn)一步擴(kuò)展形成新的氣孔以釋放局部應(yīng)力。相反，在原始?xì)饪字車植繎?yīng)力得到有效釋放，則不易產(chǎn)生新的小氣孔。圖1He+離子輻照前后石墨的氣孔形貌Fig.1PoresmorphologyofgraphitebeforeandafterHe+ionsirradiationa IG-11輻照前;b NBG-18輻照前c——HSM-SC輻照前;d——IG-11輻照后;e——NBG-18輻照后;f—HSMSC輻照后將HSM-SC內(nèi)新產(chǎn)生的氣孔放大，如圖3所示。由圖3可知,HSM-SC內(nèi)存在彎曲狀的裂紋川SM-SC的裂紋在尺寸上比NBG-18的長且有的裂紋已相互連通。這說明,HSM-SC的耐輻照性能低于NBG-18。對20keV5x1016cm-2He+離子輻照后的石墨雖觀察到了新氣孔的產(chǎn)生，但新氣孔的尺寸小、數(shù)目少，用以來評價(jià)石墨的耐輻照性能不理想，且觀察不到IG-11氣孔形貌的變化。因此，欲觀察到氣孔明顯變化必須增加輻照劑量或增加輻照離子質(zhì)量。由He+離子輻照石墨后氣孔形貌的變化可知，用離子束輻照有可能模擬中子輻照下石墨氣孔形貌的變化規(guī)律。因此，在總結(jié)He+離子輻照石墨的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，用40keVC+離子輻照石墨，以期觀察到更加明顯的氣孔形貌變化。選擇40keVC+離子進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)的原因有：1)C+離子的質(zhì)量比He+離子的大,所產(chǎn)生的缺陷數(shù)目比He+離子多;2)在C+離子輻照石墨過程中不會引入其他離子,輻照行為更接近于中子輻照時(shí)石墨內(nèi)部碳原子的運(yùn)動規(guī)律。圖2He+離子輻照前后NBG-18表面的氣孑LFig.2PoresmorphologyofNBG-18graphitebeforeandafterHe+ionsirradiationa 輻照前;b 500倍下輻照后圖3HSM-SC表面新產(chǎn)生的氣孑LFig.3PoresmorphologyofHSM-SCgraphiteafterirradiationa 100倍下輻照后;b 200倍下輻照后C+離子束輻照石墨氣孔形貌的變化利用40keVC+離子輻照石墨的劑量分別為8x1015、2.4x1016、4x1016、6x1016、8x1016和1017cm-2。IG-11、NBG-18和HSMSC拋光表面經(jīng)上述6個劑量C+離子輻照后用偏光顯微鏡觀察。石墨的氣孔形貌變化并未像預(yù)想的那樣,而是與He+離子輻照后氣孔形貌的變化結(jié)果非常相似。40keVC+離子輻照石墨表面出現(xiàn)上述現(xiàn)象是出乎意料的，但從中子與碳原子碰撞過程中的能量傳遞機(jī)制和石墨的中子輻照壽命考慮，出現(xiàn)此實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并不意外。假設(shè)選取最低能量為0.2MeV中子與石墨內(nèi)部的碳原子發(fā)生彈性碰撞,碳原子相對中子的速度為0,那么，在中子碰撞后即可將400keV的能量傳遞給碳原子，即使不考慮中子的下一次碰撞，即相當(dāng)于1個400keVC+離子輻照到石墨表面[7]。一般石墨的中子輻照壽命約為1022cm-2[8],即使加上室溫下石墨內(nèi)部微晶膨脹率更大、離子束輻照在石墨內(nèi)部的缺陷分布不均勻等因素,欲引起石墨表面氣孔形貌的明顯變化則需1020cm-2C+離子輻照。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制,達(dá)到輻照劑量1017cm-2需7h,故在本實(shí)驗(yàn)條件下選擇C+離子束輻照不可行。Xe+離子束輻照石墨氣孔形貌的變化由于受輻照劑量的限制，欲觀察到石墨表面氣孔形貌的明顯變化則須選擇較重離子進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)。由于較重離子在石墨中的核能損值大，單個離子產(chǎn)生的離位碳原子數(shù)目較He+和C+離子多100倍左右，且較重離子靜止在石墨點(diǎn)陣間隙內(nèi)會產(chǎn)生明顯的晶格畸變，利于加速石墨微晶的膨脹形變,故選擇200keVXe+離子束輻照石墨表面。200keV1014cm-2Xe+離子輻照后的結(jié)果如圖4所示。在圖4中,IG-11、NBG-18和HSM-SC內(nèi)新氣孔數(shù)目均明顯增加，且在HSM-SC內(nèi)部還出現(xiàn)了大面積的氣孔變大連通。因此，利用200keV1014cm-2Xe+離子輻照能清楚地表明HSM-SC耐輻照性能低于IG-11和NBG-18。在確定200keVXe+離子輻照能夠引起石墨表面氣孔形貌明顯變化后，對IG-11進(jìn)行200keV1x1014.1x1015和4x1015cm-2Xe+離子輻照實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。圖4200keV1014cm-2Xe+離子輻照后氣孔形貌的變化Fig.4Poresmorphologyofgraphiteunder200keV1014cm-2Xe+ionirradiationa IG-11;b——NBG-18;c——HSM-SC由圖5可知,IG-11表面氣孔數(shù)目隨輻照劑量的增加而增多,當(dāng)輻照劑量為4x1015cm-2時(shí)IG-11表面氣孔變大并相互連通。這表明,200keVXe+離子束輻照能夠模擬中子輻照下石墨氣孔形貌的變化規(guī)律,且在國產(chǎn)石墨HSM-SC改進(jìn)工藝的過程中，可根據(jù)不同Xe+離子束輻照劑量下氣孔的變化程度來判斷其耐輻照性能的優(yōu)劣。圖5不同Xe+輻照條件下IG-11氣孔形貌的變化Fig.5PoresmorphologyofIG-11graphiteunderdifferentXe+ionsirradiationa 輻照前;b 1014cm-2輻照;c——1015cm-2輻照;d——4x1015cm-2輻照3結(jié)論經(jīng)He+、C+、Xe+離子輻照前后IG-11、NBG-18和HSM-SC表面氣孔形貌的變化證實(shí),200keV1x1014cm-2Xe+離子輻照適合用來評價(jià)3種石墨的耐輻照性能其中川SM-SC的耐輻照性能較IG-11和NBG-18的低;較重離子束輻照能模擬中子輻照下石墨氣孔形貌的變化規(guī)律,并可根據(jù)石墨在不同輻照劑量下氣孔的變化程度判斷其耐輻照性能。參考文獻(xiàn)：【相關(guān)文獻(xiàn)】李圣華.特種石墨的分類、市場和生產(chǎn)[J].炭素技術(shù),2007,26(2):45-50.LIShenghua.Theclassification,marketandproductofspecialgraphite[J].CarbonTechniques,2007,26(2):45-50(inChinese).徐世江核工程中的石墨和炭素材料(第三講)[J].炭素技術(shù),2000,19(3):44-48.XUShijiang.Graphiteandcarbonaceousmaterialinnuclearengineering(Chapter3)[J].CarbonTechniques,2000,19(3):44-48(inChinese).徐世江核工程中的石墨和炭素材料(第四講)[J].炭素技術(shù),2000,19(4):58-62.XUShijiang.Graphiteandcarbonaceousmaterialinnuclearengineering(Chapter4)[J].CarbonTechniques,2000,19(4):58-62(inChinese).NEIGHBOURGB.Modelingofdimensionalchangesinirradiatednucleargraphites[J].JPhysD:ApplPhys,2000,33:2966-2972.BROCKLEHURSTJE,KELLYBT.Analysisofthedimensionalchangesstructuralchangesinpolycrystallinegraphiteunderfastneutronirradiation[J].Carbon,1993,31:155-178.MROZOWSKIS.Proceedingoffirstandsecondconferenceoncarbon[C].NewYork:BaffaloUniversity,1956:31.SIM