核石墨耐辐照性能的评价方法

核石墨耐辐照性能的评价方法付晓刚;李正操;张政军【摘要】在高温气冷堆运行过程中作为堆内构件的石墨经受高温和快中子的辐照,会经历先收缩后膨胀的宏观尺寸形变，并在膨胀至原始尺寸时到达使用寿命.在石墨尺寸形变的过程中石墨内部气孔的结构和数目均有明显变化.当辐照剂量接近使用寿命时石墨内部气孔数目明显增加，导致其力学性能急剧下降而退出服役.He+、C+、Xe+离子辐照实验表明，在200keV1014cm-2Xe+离子辐照下石墨气孔形貌变化明显.这一结果可作为石墨辐照性能的评价方法.【期刊名称】《原子能科学技术》【年(卷)，期】2010(044)006【总页数】4页(P686-689)【关键词】核石墨;离子束辐照损失;Raman光谱;气孔【作者】付晓刚;李正操涨政军【作者单位】清华大学，材料科学与工程系先进材料实验室，北京,100084;清华大学,材料科学与工程系,先进材料实验室，北京,100084;清华大学，材料科学与工程系,先进材料实验室，北京,100084【正文语种】中文【中图分类】TL342石墨具有良好的核性能和高温力学性能,是高温气冷堆堆芯唯一可选择的结构材料和反射层材料。目前，高温气冷堆内的结构材料主要选择各向同性度在1.0~1.1间的各向同性石墨。在高温中子辐照下，中子不断与石墨发生弹性碰撞而使石墨产生大量缺陷，并引起理化性能和宏观尺寸的变化。石墨耐辐照性能的优劣是根据石墨宏观尺寸形变与中子辐照剂量间的关系来评价的，即在中子辐照时石墨所经历的先收缩后膨胀过程中，恢复到原始尺寸的辐照剂量越高，石墨的耐辐照性能越好［1-5］。目前，我国核石墨的制备技术和中子辐照实验尚不成熟,不能进行系统性研究。因此，可利用离子束辐照下石墨表面气孔形貌的变化来评价石墨耐辐照性能的优劣。本工作对国内夕卜核石墨进行不同条件下的离子束辐照实验，利用偏光显微镜观察辐照后石墨表面气孔形貌的变化,以此来评价核石墨的耐辐照性能。1实验样品与方法本实验所用石墨样品为日本东洋碳素有限公司的IG-11、德国西格里公司的NBG-18和国内生产的HSM-SC,它们的部分制备工艺和性能如表1所列。上述3种石墨经抛光后分别进行不同能量和剂量的He+、C+、Xe+离子辐照实验。为准确研究不同辐照条件下石墨气孔形貌的变化规律，须对石墨表面进行标记。因此辐照前用刻刀在石墨抛光表面划出2mmx2mm的正方形，然后用偏光显微镜记录下2mmx2mm区域内石墨的气孔形貌，以便与辐照后石墨的气孔形貌进行对比。表1石墨的制备工艺和性能Table1Manufactureprocessandpropertyofgraphite2实验结果与讨论He+离子束辐照石墨气孔形貌的变化对IG-11、NBG-18和HSM-SC抛光表面进行20keV5x1016cm-2He+离子辐照，辐照后用偏光显微镜观察。辐照前后3种石墨的气孔形貌的观察结果示于图1。由图1可知,IG-11气孔形貌基本未发生变化;NBG-18在无气孔区域内有小气孔产生HSM-SC左上角处也有小气孔产生。IG-11内无气孔形貌变化，说明IG-11的耐辐照能力优于NBG-18和HSMSC。将NBG-18表面产生的气孔放大，如图2所示。由图2可知，在NBG-18表面上气孔较少区域有新气孔产生，原始气孔附近基本无新气孔产生。这说明，气孔的产生与辐照后石墨表面的应力释放有关。在离子束辐照下,石墨微晶纵向膨胀，横向收缩。上述微晶膨胀行为首先被Mrozowski微裂纹吸收[6],然后部分形变被周围的微米级气孔吸收。在气孔较少的区域,Mrozowski微裂纹的空间被微晶形变占据后，继续膨胀的微晶便会相互挤压而产生局部应力。当局部应力大于一定数值时，石墨表面便会出现裂纹，并进一步扩展形成新的气孔以释放局部应力。相反，在原始气孔周围局部应力得到有效释放，则不易产生新的小气孔。图1He+离子辐照前后石墨的气孔形貌Fig.1PoresmorphologyofgraphitebeforeandafterHe+ionsirradiationa IG-11辐照前;b NBG-18辐照前c——HSM-SC辐照前;d——IG-11辐照后;e——NBG-18辐照后;f—HSMSC辐照后将HSM-SC内新产生的气孔放大，如图3所示。由图3可知,HSM-SC内存在弯曲状的裂纹川SM-SC的裂纹在尺寸上比NBG-18的长且有的裂纹已相互连通。这说明,HSM-SC的耐辐照性能低于NBG-18。对20keV5x1016cm-2He+离子辐照后的石墨虽观察到了新气孔的产生，但新气孔的尺寸小、数目少，用以来评价石墨的耐辐照性能不理想，且观察不到IG-11气孔形貌的变化。因此，欲观察到气孔明显变化必须增加辐照剂量或增加辐照离子质量。由He+离子辐照石墨后气孔形貌的变化可知，用离子束辐照有可能模拟中子辐照下石墨气孔形貌的变化规律。因此，在总结He+离子辐照石墨的经验基础上，用40keVC+离子辐照石墨，以期观察到更加明显的气孔形貌变化。选择40keVC+离子进行辐照实验的原因有：1)C+离子的质量比He+离子的大,所产生的缺陷数目比He+离子多;2)在C+离子辐照石墨过程中不会引入其他离子,辐照行为更接近于中子辐照时石墨内部碳原子的运动规律。图2He+离子辐照前后NBG-18表面的气孑LFig.2PoresmorphologyofNBG-18graphitebeforeandafterHe+ionsirradiationa 辐照前;b 500倍下辐照后图3HSM-SC表面新产生的气孑LFig.3PoresmorphologyofHSM-SCgraphiteafterirradiationa 100倍下辐照后;b 200倍下辐照后C+离子束辐照石墨气孔形貌的变化利用40keVC+离子辐照石墨的剂量分别为8x1015、2.4x1016、4x1016、6x1016、8x1016和1017cm-2。IG-11、NBG-18和HSMSC抛光表面经上述6个剂量C+离子辐照后用偏光显微镜观察。石墨的气孔形貌变化并未像预想的那样,而是与He+离子辐照后气孔形貌的变化结果非常相似。40keVC+离子辐照石墨表面出现上述现象是出乎意料的，但从中子与碳原子碰撞过程中的能量传递机制和石墨的中子辐照寿命考虑，出现此实验现象并不意外。假设选取最低能量为0.2MeV中子与石墨内部的碳原子发生弹性碰撞,碳原子相对中子的速度为0,那么，在中子碰撞后即可将400keV的能量传递给碳原子，即使不考虑中子的下一次碰撞，即相当于1个400keVC+离子辐照到石墨表面[7]。一般石墨的中子辐照寿命约为1022cm-2[8],即使加上室温下石墨内部微晶膨胀率更大、离子束辐照在石墨内部的缺陷分布不均匀等因素,欲引起石墨表面气孔形貌的明显变化则需1020cm-2C+离子辐照。由于实验设备的限制,达到辐照剂量1017cm-2需7h,故在本实验条件下选择C+离子束辐照不可行。Xe+离子束辐照石墨气孔形貌的变化由于受辐照剂量的限制，欲观察到石墨表面气孔形貌的明显变化则须选择较重离子进行辐照实验。由于较重离子在石墨中的核能损值大，单个离子产生的离位碳原子数目较He+和C+离子多100倍左右，且较重离子静止在石墨点阵间隙内会产生明显的晶格畸变，利于加速石墨微晶的膨胀形变,故选择200keVXe+离子束辐照石墨表面。200keV1014cm-2Xe+离子辐照后的结果如图4所示。在图4中,IG-11、NBG-18和HSM-SC内新气孔数目均明显增加，且在HSM-SC内部还出现了大面积的气孔变大连通。因此，利用200keV1014cm-2Xe+离子辐照能清楚地表明HSM-SC耐辐照性能低于IG-11和NBG-18。在确定200keVXe+离子辐照能够引起石墨表面气孔形貌明显变化后，对IG-11进行200keV1x1014.1x1015和4x1015cm-2Xe+离子辐照实验，结果如图5所示。图4200keV1014cm-2Xe+离子辐照后气孔形貌的变化Fig.4Poresmorphologyofgraphiteunder200keV1014cm-2Xe+ionirradiationa IG-11;b——NBG-18;c——HSM-SC由图5可知,IG-11表面气孔数目随辐照剂量的增加而增多,当辐照剂量为4x1015cm-2时IG-11表面气孔变大并相互连通。这表明,200keVXe+离子束辐照能够模拟中子辐照下石墨气孔形貌的变化规律,且在国产石墨HSM-SC改进工艺的过程中，可根据不同Xe+离子束辐照剂量下气孔的变化程度来判断其耐辐照性能的优劣。图5不同Xe+辐照条件下IG-11气孔形貌的变化Fig.5PoresmorphologyofIG-11graphiteunderdifferentXe+ionsirradiationa 辐照前;b 1014cm-2辐照;c——1015cm-2辐照;d——4x1015cm-2辐照3结论经He+、C+、Xe+离子辐照前后IG-11、NBG-18和HSM-SC表面气孔形貌的变化证实,200keV1x1014cm-2Xe+离子辐照适合用来评价3种石墨的耐辐照性能其中川SM-SC的耐辐照性能较IG-11和NBG-18的低;较重离子束辐照能模拟中子辐照下石墨气孔形貌的变化规律,并可根据石墨在不同辐照剂量下气孔的变化程度判断其耐辐照性能。参考文献：【相关文献】李圣华.特种石墨的分类、市场和生产[J].炭素技术,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(第三讲)[J].炭素技术,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(第四讲)[J].炭素技术,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