《Fusion Engineering and Design》：Influence of tritium aging and helium-3 content on fracture resistance in austenitic stainless steel GTA welds and heat-affected zones
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摘要初级包容材料的机械性能对于氚的处理、加工和储存至关重要，而这些是实现聚变能源的关键能力。奥氏体不锈钢对氢脆表现出显著的抵抗能力，尽管它们并非完全免疫。氚通过其氦 -3 衰变产物的附加效应进一步加剧了性能退化。氦 -3 不溶于晶格，因此会产生高压纳米级氦气泡的分布，进一步降
摘要
初级包容材料的机械性能对于氚的处理、加工和储存至关重要，而这些是实现聚变能源的关键能力。奥氏体不锈钢对氢脆表现出显著的抵抗能力，尽管它们并非完全免疫。氚通过其氦 -3 衰变产物的附加效应进一步加剧了性能退化。氦 -3 不溶于晶格，因此会产生高压纳米级氦气泡的分布，进一步降低机械性能和断裂阻力。焊缝和热影响区（HAZ）是一个令人关注的领域，因为它们可能存在缺陷、残余应力和改变后的微观结构。在本工作中，304 L 和 21Cr-6Ni-9Mn（称为 21-6-9）奥氏体不锈钢锻件使用 308 L 填充金属进行了钨极氩弧焊。加工了缺口弯曲试样，并以一种使裂纹扩展到焊缝熔合区或热影响区的方式进行了预裂纹处理。弯曲试样在高温高压下暴露于氚中，随后进行时效处理，以使显著的氦 -3 得以生成。试样经过不同时间的时效处理，然后进行断裂测试。建立了裂纹扩展阻力曲线并进行比较，以了解内置氦的影响。值得注意的是，与它们的焊缝熔合区以及在相同条件下测试的 304 L 钢试样的 HAZ 或熔合区相比，21-6-9 材料的 HAZ 显示出断裂阻力更大的下降。在充氚和时效后，304 L 熔合区表现出的断裂阻力低于 21-6-9 熔合区。此外，检查了焊缝和 HAZ 的断口表面，以阐明断裂行为的趋势。
引言
对商业聚变发电日益增长的兴趣，来自于强劲的私人资金和政府倡议，正在推动对燃料供应的研究。大多数提出的聚变发电厂设计使用氘 - 氚（D/T）燃料混合，根据聚变行业协会的说法，D/T 燃料被视为扩大聚变发电规模最关键的供应链挑战之一 [1]。由于氚稀缺，且磁约束聚变厂在一次通过等离子体时会燃烧少于 10% 的注入燃料，因此废气必须连续再处理，并在现场繁殖新的氚。物理和工程约束表明，实用的聚变发电厂将需要能够以没有商业经验的体积和速率在现场处理氚，比现有基础设施高出几个数量级 [2]。
氚处理基础设施需要明智的设计基础来减轻其放射性危害。已知氢同位素会使钢脆化，包括奥氏体不锈钢 [3]，这是从断裂韧性和延性等机械性能的退化推断出来的。对于氚而言，衰变为氦 -3（He-3）已被证明会进一步降低机械性能 [4]。机械完整性对于初级压力边界材料和组件的安全性能至关重要，因此需要特定的处理、加工和储存实践。300 系列奥氏体不锈钢对氢的脆化效应提供更大的抵抗力，与其他合金相比保留了足够的断裂韧性，因此是氚服务的标准材料。为了避免在压力边界组件中引入泄漏，焊接优于机械连接。然而，即使在这些韧性合金中，氚也可能对焊缝断裂阻力产生不利影响，增加焊缝开裂的风险。因此，为了安全设计，表征氚对奥氏体不锈钢焊缝的影响至关重要。本研究调查了两种等级的奥氏体不锈钢 304 L 和 21Cr-6Ni-9Mn（称为 21-6-9）在暴露于氚并时效后，钨极氩弧（GTA）焊缝熔合区和热影响区的断裂阻力。
章节片段
材料
本研究中使用的两种母材是锻造状态下的 304 L 和 21Cr-6Ni-9Mn 奥氏体不锈钢。304 L 圆柱体是通过 843°C 下的高能率锻造工艺制造的。同样，21-6-9 在 815°C 下锻造呈杯状锻件。从锻件中提取焊缝环，并使用 308 L 填充金属通过钨极氩弧（GTA）焊接工艺进行焊接 [5]。304 L 焊缝环长度为 38.1 毫米，外径 76.2 毫米，内径 54.6 毫米。该
结果与讨论
每个试样的 J-R 曲线显示在图 7 中，其中断裂阻力（JQ-H）表示为曲线与 0.2 毫米构造线的交点。
测试材料的 JQ-H 显示在图 8 中，作为氦浓度的函数。对于测试的每种材料体系，平均断裂阻力随氦含量的增加而降低。本研究中测试的 304 L 锻件结果与此前报告的锻造 304 L 结果一致 [10]，显示出了适度的
结论
对充氚的 304 L 和 21-6-9 不锈钢的焊缝熔合区（FZ）和热影响区（HAZ）进行了断裂测试，这些钢使用 308 L 填充金属焊接。所有测试材料（焊缝和 HAZ）在氚暴露后随着 He-3 浓度的增加，随着时间推移表现出断裂阻力降低。虽然 304 L HAZ 材料在时效后保持了高于 304 L FZ 材料的断裂阻力，但 21-6-9 HAZ 材料表现出较低的断裂阻力
CRediT 作者贡献声明
娜塔莉·维伯：可视化，写作 – 原稿。蒂莫西·克伦茨：调查，方法论，可视化，写作 – 审阅与编辑。安娜斯塔西娅·马林斯：调查。多里安·巴尔奇：概念化，写作 – 审阅与编辑。约瑟夫·罗内维奇：概念化，方法论，资源，可视化，写作 – 审阅与编辑。
娜塔莉·维伯 | 蒂莫西·克伦茨 | 安娜斯塔西娅·马林斯 | 多里安·巴尔奇 | 约瑟夫·罗内维奇
萨凡纳河国家实验室，773-A B-061, SRS Rd 1A, Aiken, SC, 29808, 美国
