BR2 中子辐照下钨的损伤孕育与演化：关于铼作用的认识

《ACTA MATERIALIA》：Damage incubation and evolution in tungsten under BR2 neutron irradiation: Insights into the role of rhenium

　　

摘要

铼（Re）的影响——无论是通过初始合金化还是动态嬗变引入——对中子辐照钨（W）中的损伤孕育和演化至关重要，对于开发聚变反应堆中的钨基面向等离子体部件（PFCs）而言具有关键意义。本研究系统调查了在比利时BR2反应堆中中子辐照纯钨和W-5 wt.% Re合金，辐照条件从低温/低剂量（TIrr = 290 °C，0.002–0.05 dpa）到高温/高剂量（TIrr = 800 °C，1 dpa）。通过结合透射电子显微镜、原子探针断层扫描、氘滞留和硬度测量，我们证明纯钨中的损伤孕育是快速的，其特征是在级联重叠阈值以下和以上间隙原子（SIAs）和空位的高效聚集，随后是缺陷生长和空间有序化。相比之下，初始Re合金化建立了较高的初始Re与缺陷比，形成稳定的复合物以捕获并湮灭新生成的点缺陷；这延迟了位错环的出现，抑制了孔洞形成，并减少了氘滞留。相反，纯钨中转变诱导的Re允许位错环和孔洞在Re发生显著相互作用之前形成，导致Re在缺陷表面偏析，从而驱动显著的中子辐照硬化。与重离子辐照的比较分析表明，虽然高剂量率加速了缺陷形态的演化，但Re的存在一致地延缓了这一进展。这些见解确立了中子辐照钨损伤图的先前不确定的下界。通过阐明溶质Re与转变Re的不同作用，本研究为解释替代辐照数据中的损伤积累和评估钨基PFCs中的聚变中子损伤提供了必要的框架。

引言

钨（W）是ITER和DEMO等聚变反应堆面向等离子体部件（PFCs）的首选候选材料[1,2]，得益于其高熔点（Tm = 3410 °C）、高溅射阈值、优异的热学性能、低氚存量以及减少的气态嬗变[3,4]。然而，极端服役条件提出了重大挑战[5]。材料必须承受高温、高剂量中子辐照（在DEMO中，每次全功率年为500–1300 °C，2–6 dpa[6]），这会产生点缺陷、小集群、位错和孔洞，从而损伤晶格[7]。此外，热中子俘获损害了化学稳定性；嬗变诱导的杂质，主要是铼（Re）和锇（Os），改变成分并偏析形成脆性金属间化合物相[8,9]。当考虑来自聚变等离子体的氘/氚/氦离子注入时，协同退化效应进一步显现[10,11]。因此，通过系统的中子辐照实验为钨基PFCs建立设计窗口至关重要。这要求在变化的辐照温度和剂量下表征损伤微观结构，并将其与性能退化相关联。

日本-美国联合项目（1981–2024）[12]为理解不同裂变反应堆中子能谱下中子辐照钨的微观结构和性能响应奠定了坚实而全面的科学基础。通过表征暴露于广泛辐照条件下的钨材料（TIrr = 90–1100 °C，0.004–11 dpa），Hasegawa及其同事[9,13]基于透射电子显微镜（TEM）开发了早期版本的损伤图，随后由ORNL研究人员更新[7,14,15]。这些图一致表明，在纯钨中：当TIrr < 400 °C且剂量 < 0.5 dpa时，位错环主导微观结构；当TIrr ≥ 400 °C至1 dpa时，孔洞和位错环共存；而当TIrr > 400 °C且剂量 > 1 dpa时，孔洞和嬗变诱导的析出物的混合物占主导。这些缺陷群体对中子辐照硬化[16,17]、肿胀[13,14,18]和氢同位素（HI）滞留[[19], [20], [21], [22], [23], [24]]的贡献已得到严格评估。

尽管取得了重大成就，但关于中子辐照钨中损伤孕育过程的基本不确定性仍然存在。即使在最低报道的剂量下——例如在HFIR中TIrr = 90 °C下的0.004–0.006 dpa[25]——可用数据通常是间接的，依赖于性能退化或仅限于空位检测的正电子湮灭寿命谱（PALS）。因此，自间隙原子（SIA）集群和位错结构的尺寸和群体统计仍然很大程度上未被量化。虽然碰撞级联模拟[26,27]和自离子辐照[[28], [29], [30], [31], [32]]预测了它们的出现，但在中子辐照环境中缺乏实验确认，使得"损伤图"的下界未被定义。此外，这些缺陷的结构性质仍在争论中。虽然许多研究假设位错完全由?<111>环组成，但重离子辐照已确认了<100>环的存在[33]。同样，孔洞形成的起始仍然有争议。与传统阈值TIrr > ~0.15Tm（350 °C）[25]相反，最近的研究表明，增强的空位浓度、有利的集群构型转变和延长的热持续时间可能使孔洞形成在低至200 °C的温度下发生[32]。这些不确定性因大剂量间隙和中子能谱变化而加剧，模糊了缺陷排列的演化。

Re的引入——无论是通过初始合金化还是嬗变——进一步使这一格局复杂化。中子辐照研究已追踪了Re在不同嬗变速率范围内的影响，从低速率场景（在JOYO中~1 at.% Re/dpa[34]，与DEMO相关[35,36]）到高速率环境（在HFIR和JMTR中~8–10 at.% Re/dpa[15,18]）。此外，已利用二元W-xRe（x = 3, 5, 10, 26 wt.%）模型合金来隔离溶质Re对位移损伤的影响。关于孔洞（TIrr = 400–800 °C，~0.15–1.54 dpa）出现了一致趋势：增加溶质Re浓度显著抑制孔洞形成和生长[18,[37], [38], [39]]。然而，关于位错环的数据仍然不确定且常常相互矛盾。例如，W-10Re在TIrr = 531–583 °C，~0.44–0.47 dpa时表现出位错环粗化[38]，但在更高剂量~1 dpa时显示出位错环尺寸和数量减少[34]。在更高温度（TIrr = 600–800 °C）下，在0.15 dpa时观察到位错环尺寸和数量同时下降[40]。无论Re来源如何，高浓度一致地促进偏析和析出，但产生的相（σ-ReW, χ-Re3W）及其空间分布差异显著[9,41]。

基于当前文献，尚未建立中子辐照钨中损伤积累的统一机制图像。Re浓度及其引入速率似乎重新定义了损伤图的内容和边界[[42], [43], [44]]。在位移损伤缺陷（SIAs、空位和集群）向扩展结构（孔洞、位错环）的演化与Re施加的延缓效应之间存在动态竞争。这一过程受Re-缺陷相互作用支配，其特征是SIAs和空位的迁移性受阻[[45], [46], [47]]、SIA-空位复合增强[48,49]以及以SIAs为代价的析出[50]。使这一复杂性更加复杂的是，每个机制过程都是温度依赖的[51]，意味着不同的温度区间可能由完全不同的演化路径主导。

受DEMO相关需求驱动，最近使用HFR[52,53]和BR2反应堆[54,55]进行的中子辐照活动专注于低嬗变场景（~0.8–2.1 at.% Re/dpa）。在纯钨中，使用先进的电子显微镜和原子探针断层扫描技术对广泛参数空间（TIrr = 600–1200 °C，0.1–1.67 dpa）中的损伤演化进行了高分辨率研究[44,52,54,[56], [57], [58], [59]]。微观结构演化始于孔洞和位错环的形成，这先于通过嬗变的显著Re积累。因此，这些预先存在的辐照缺陷的Re装饰主导了微观结构，表现为孔洞表面和位错环外围的富Re壳层或弥散的"云"[54]。这些Re富集区域作为点缺陷的阱，增强了SIA-空位复合，正如孔洞和位错环周围10–20 nm范围内的缺陷去除区所证明的那样[44]。此外，Re在这些扩展结构上的偏析提供了优先析出位——具体是在孔洞的弛豫{110}面上[56]和位错环的{110}习容面上[42]。当前文献表明，孔洞核化的析出物通常表现为杆状或针状χ-Re3W[54,56]，而σ-ReW析出物倾向于形成在位错环习容面上或在基体中[42,54]。随着这些析出物生长，它们消耗周围的SIAs，通常导致母位错环的最终湮灭[44,54]。值得注意的是，嬗变诱导的Os表现出相似的缺陷相互作用和对微观结构演化的影响[44,48]。

为了调查Re在中子辐照钨损伤积累和性能退化中的关键作用，我们对纯钨和W-Re合金（W-5 wt.% Re）进行了BR2中子辐照。使用专为TIrr = 290 °C多步辐照优化的定制夹具，我们将样品暴露在0.002 dpa到0.05 dpa的低剂量范围，同时确保严格相同的中子能谱和温度历史。使用先进的缺陷显微镜技术系统表征了由此产生的损伤孕育和早期缺陷演化，辅以氘（D）滞留和硬度测量。关键的是，在这个低剂量区中可忽略不计的嬗变使我们能够隔离预先存在的溶质Re对间隙型和空位型缺陷演化统计的具体影响。为扩展这些发现，我们在TIrr = 800 °C（达到1 dpa）进行了补充的高剂量辐照运行，这引起了嬗变并将纯钨转化为W-2.5 wt.% Re。这使我们能够直接比较以区分初始作为溶质原子引入的Re与动态作为嬗变产物生成的Re的微观结构效应。此外，我们将这些BR2中子辐照结果与在相同材料批次上在类似条件下进行的重离子辐照进行了比较，突出了Re行为的剂量率依赖性。这些见解完善了中子辐照钨损伤图的内容和边界。它们阐明了Re在损伤孕育和演化中的作用，为解释替代辐照数据和理解钨基PFCs中的聚变中子损伤提供了必要参考。

分节摘要

材料

本研究调查了两种纯钨等级，化学气相沉积钨（CVD-W）和商业级钨（CG-W），以及W-Re合金（W-5 wt.% Re）。CVD-W和CG-W由中国厦门钨业有限公司提供，W-5 wt.% Re由奥地利Plansee SE公司提供。CVD-W作为超纯涂层采购（> 99.9999 wt.%）。CG-W从多晶钨棒切片（> 99.97 wt.%纯度），而W-5 wt.% Re从热轧板获得。从通用微观结构中切割了Φ 3 mm的圆盘。

总体微观结构

对于所有辐照实验，中子辐照微观结构的概述基于S/TEM观察呈现。表征在z < 001>取向附近进行，因为这是所调查材料的显著比例，并便于缺陷分析的衍射条件一致配置。对于HTHF实验，提供了补充的APT和EBSD数据以评估嬗变产物和统计辐照响应。

纯钨中的中子损伤孕育和演化

中子辐照期间位移损伤缺陷的积累源于碰撞级联。在14 MeV D-T聚变中子辐照下，纯钨中产生能量约为~100–300 keV的初级撞击原子（PKAs）[106]。这些高能量PKAs创造了液态样"热尖峰"，暂时熔化包含~10^4–10^5个原子的体积[26,107]。由于这种临时熔体相远大于它留下的少数稳定点缺陷和集群，

结论

本研究调查了Re——无论是通过初始合金化还是动态嬗变引入——对中子辐照钨中损伤孕育和演化的深远影响。纯钨（CVD-W和CG-W）和W-5 wt.% Re合金在BR2反应堆中从低温/低剂量（TIrr = 290 °C，0.002–0.05 dpa）到高温/高剂量（TIrr = 800 °C，1 dpa）的区中进行了辐照。使用先进的TEM技术、D滞留和硬度测量，溶质的不同角色……

CRediT作者贡献声明

Xiaoou Yi：调查、数据整理、形式分析、写作 – 原稿、方法论、概念化、资金获取。Kenta Yoshida：调查、数据整理、资源、监督。Tatsuya Kuwabara, Koji Inoue：数据整理、形式分析。Shiwei Wang：方法论、概念化、写作 – 原稿、审阅与编辑。Minshen Hu, Sichen Dong, Long Cheng, Azusa Matsumoto, Hui Liu, Somei Ohnuki, Akira Hasegawa, Hanqing Wang, Katsuya Suzuki：数据整理，

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响到本论文中报告的工作。

数据可用性

重现这些发现所需的原始数据目前无法共享，因为数据也是正在进行的研究的一部分。

CRediT作者贡献声明

Xiaoou Yi：写作 – 原稿、项目管理、方法论、调查、资金获取、形式分析、数据整理、概念化。Kenta Yoshida：监督、资源、调查、数据整理。Tatsuya Kuwabara：形式分析、数据整理。Shiwei Wang：写作 – 审阅与编辑、写作 – 原稿、方法论、概念化。Koji Inoue：形式分析、数据整理。Minshen Hu：写作 – 审阅与编辑、形式分析、数据整理。Xiaoou Yi|Kenta Yoshida|Tatsuya Kuwabara|Shiwei Wang|Koji Inoue|Minshen Hu|Sichen Dong|Long Cheng|Azusa Matsumoto|Hui Liu|Somei Ohnuki|Akira Hasegawa|Hanqing Wang|Katsuya Suzuki|Wentuo Han|Pingping Liu|Takeshi Toyama|Yuji Hatano|Qian Zhan|Farong Wan|Guang-Hong Lu