高中子辐照铍中的辐射诱导偏析与析出

《Journal of Nuclear Materials》：Radiation-induced segregation and precipitation in highly neutron-irradiated Be

　　

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  中子辐照铍中气态气泡处 Al、Si 和 Mg 的温度依赖性偏析。
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  在 T_irr>500°C 时辐照诱导杂质沉淀物溶解。
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  铍基体中杂质元素浓度的量化。

引言

铍（Be）被认为是聚变包层应用中最有效的中子增殖剂之一，这得益于其优良的中子特性，特别是 ⁹Be(n,2n) 反应的低阈能，这使得即使使用慢化中子也能实现高效的中子增殖 [1,2]。在聚变包层系统中，铍可以纯铍形式或含铍金属间化合物（铍化物）的形式使用。特别是，在 ITER 计划内开发的几个测试包层模块 (TBM) 概念中，预计将采用直径为 1 mm 的纯铍球床作为中子增殖剂。这些概念包括欧洲氦冷球床 (HCPB) TBM、中国氦冷陶瓷增殖剂 (HCCB) TBM 以及日本水冷陶瓷增殖剂 (WCCB) TBM，其中铍球床被用作中子增殖材料 [[3], [4], [5]]。在中国聚变反应堆概念（如 CFETR）中，铍球增殖剂仍处于考虑之中，其中正在探索类似于 ITER TBM 设计中使用的球床增殖剂配置 [6]。

铍球也长期被视为为欧洲 DEMO 反应堆开发的 HCPB 增殖包层概念的中子增殖材料 [7]。在聚变反应堆运行期间，铍球会受到 14 MeV 中子的强烈辐照，导致严重的辐照损伤。铍中氦 (He) 和氚 (3H) 的产生量估计分别为 25700 appm 和 640 appm，这对应于 HCPB 包层预期的寿命末期条件 [1]。该包层设计允许的最大运行温度约为 650°C。

目前，HCPB 包层概念已演变为使用更耐辐照的中子增殖剂，如钛铍化物，通常以块状形式而不是球床形式存在 [[8], [9], [10], [11]]。然而，关于铍球中辐照损伤的研究仍然高度相关，因为这些研究提供了关于聚变中子辐照下基于铍材料中辐照诱导过程的基本见解。此类数据对于理解铍和含铍化合物中的氦产生、肿胀、微观结构演变和机械性能退化机制至关重要。

高通量核研究堆中的长期辐照实验提供了关于铍球在聚变反应堆相关条件下（即辐照温度、损伤剂量和 He/3H 产生）微观结构演变宝贵数据。然而，此类实验不包括聚变环境特有的 14 MeV 中子的贡献。此前已报道了铍的高温中子辐照研究，随后进行了透射电子显微镜 (TEM) 研究 [[12], [13], [14], [15], [16]]。这些研究一致表明形成了充满 He 和 3H 的气泡。在最低的辐照温度下，气泡表现出均匀、近乎球形的形貌。局部地，例如在晶界附近，气泡也可能呈现扁平的六边形形状。随着温度升高，铍密排六方晶格固有的各向异性促进了扁平六边形气泡的发展。电子能量损失谱 (EELS) 已被应用于检测并量化气泡内 He 和 3H 的存在 [12,15,16]。

铍在中子辐照环境中的性能受到杂质存在的强烈影响，这些杂质可能在制造、合金化过程中引入，或来自原材料中的残留污染物。在商用核级铍中，铝 (Al)、铁 (Fe) 和硅 (Si) 等杂质原子是最主要的金属污染物之一。例如，“A 级”铍锭的规格限制包括 Fe 高达约 0.110 wt%，Al 高达约 0.087 wt%，Si 高达约 0.060 wt% [17]。还值得注意的是，铍氧化物 (BeO) 和其他金属杂质 (Al, Fe, Si) 会导致铍基体期望性能的退化。

含 Fe 和 Al 的相在决定铍的机械性能方面也起着重要作用。Jones 和 Weiner [18] 利用 X 射线衍射对经过各种热处理的商用铍进行研究发现，Be?(FeAl) 相的应变诱导沉淀与拉伸延展性和蠕变强度的降低之间存在相关性。Punni 和 Cox [19] 检查了几种铍等级的耐腐蚀性能，发现 Fe/Al/Be 夹杂物作为点蚀腐蚀的优先起始位点。此外，Morozumi 等人 [20] 证明富 Fe-Be 沉淀物限制了位错运动，从而提高了含铁铍的硬度。

杂质原子可以通过几种方式影响铍在辐照下的行为。杂质通过偏析在晶界上、金属间相（例如 Al-Fe-Be 相）的沉淀来改变微观结构。Al 被认为是铍中最有害的杂质之一，因为以游离 Al 或 Al-Be 共晶的形式，它可能润湿晶界并导致高温下（400°C 及以上）延展性的严重退化 [21]。有人提出在高度合金化的铍中存在低熔点 Be-Al-Si 共晶的可能性 [22]，这可能会影响 BeO 颗粒的稳定性 [23]，或者如果存在于晶界处，则影响断裂行为 [21,22]。对工业纯度铍在 50 °C 下用高能质子（0.46 dpa）辐照后的微观结构检查表明，Al 在辐照期间偏析到晶界 [24]。

在中子辐照下，杂质原子本身可能被活化产生二次放射性核素（例如 Fe 杂质在 (n,γ) 活化下产生长寿命的 Co-60）。杂质可能改变辐照下的缺陷形成、迁移和聚集（例如作为空位、He、³H 和嬗变产物的吸收体或形核位点）。因此，必须理解 Si、Al 和 Fe 杂质在铍中如何影响（i）制造材料中的初始微观结构和杂质分布，（ii）它们与辐照诱导缺陷（如空位团簇和充满 He 和氢的气泡）的相互作用，以及（iii）在中子辐照下材料性能的长期演变，包括肿胀、脆化和热导率。

本研究探讨了杂质原子在中子辐照铍中的作用。采用微观结构表征、杂质定量以及辐照实验和/或建模的组合来评估杂质原子对缺陷演变及由此产生的材料行为的影响。研究结果为高性能核系统中铍材料的选择和优化提供了输入。

本文展示了在佩滕高通量反应堆 (HFR) 内 HIDOBE-02 实验中辐照的铍球的 TEM 分析 [25,26]，以及未辐照参考材料的相应观察结果 [14,27]。特别强调了铍球中杂质的成分和空间分布，为理解它们在中子辐照铍微观结构演变中的作用提供了基础。

章节摘要

材料

本研究调查的直径约为 1 mm 的铍球由日本 NGK 绝缘子有限公司使用旋转电极法制造 [14,28]。根据 NGK 的证书，这些铍球含有杂质元素，其成分列于表 1 中。铍具有密排六方 (hcp) 晶体结构，晶格参数为 a = 0.229 nm 和 c = 0.358 nm。

辐照参数

中子辐照在佩滕高通量反应堆 (HFR) 内的 HIDOBE-2 中进行

未辐照铍球的显微组织

本研究使用的未辐照铍球的微观结构已在文献 [8,11,12] 中描述过。该材料为粗晶，晶粒尺寸通常超过 10 μm，偶尔达到几百微米，即高达球直径的约一半（～500 μm）。在某些情况下，一个球几乎完全由包含几个较小晶粒的单个大晶粒组成。观察到大量杂质颗粒既存在于

讨论

初始微观结构中多组分杂质沉淀物的存在预计会影响辐照下的缺陷演变。此类颗粒可能作为点缺陷的吸收体或作为气泡的形核位点。它们在晶界上的频繁出现以及在晶粒内的链状排列表明，它们也可能影响辐照期间的局部传输过程。因此，这些沉淀物在

结论

本研究提供了在 HIDOBE-02 实验中于 370、440、560 和 650°C 辐照至损伤剂量分别为 21、29、34、37 dpa 的铍球中杂质颗粒和辐照诱导缺陷的详细纳米尺度表征。

在交付状态下，铍含有非均匀分布的含 Fe、Al、Mn、Cr 和 Si 的金属间化合物沉淀物。在 370°C 和 440°C 温度下的中子辐照导致 Al 溶解，以及在较小程度上的 Si 溶解到

CRediT 作者贡献声明

Michael Klimenkov: 写作 – 原稿、可视化、验证、调查。Vladimir Chakin: 写作 – 审查与编辑、调查、形式分析。Ramil Gaisin: 验证、形式分析。Uta J?ntsch: 调查。Michael Rieth: 验证、监督、资源。Viacheslav Kuksenko: 写作 – 审查与编辑、验证、方法论。

Michael Klimenkov|Vladimir Chakin|Ramil Gaisin|Uta J?ntsch|Michael Rieth|Viacheslav Kuksenko