【科研团队展示】核材料与力学

研究方向：核材料与力学

        核材料与力学团队致力于核能和核技术领域具有重大需求的核结构材料和核功能材料研究，按照材料基因工程理念，涵盖：材料制备工艺、微观表征、服役性能评价的全流程研究。

        核结构材料的主要研究对象：(1)新型耐事故ATF核燃料、材料及涂层；(2)压水堆和新堆型关键核合金、铁马钢等；(3)耐辐照/腐蚀/高温的特殊材料。本团队材料制备平台具备了多弧离子镀膜系统、磁控溅射镀膜系统、真空热压烧结炉、真空冶炼炉、球磨机、高压釜等设备。在微观表征方面，综合采用理化检测、SEM/EBSD/EDS/FIB, XRD, TEM, AFM, APT, 同步辐射光源、散裂中子源(CSNS)散射(SANS)等开展多层次微观表征与定量分析。在性能评价方面，现已具备模拟LOCA事故核燃料元件评估平台、强度与断裂力学测试平台、超声疲劳试验机、原位微尺度力学试验机、高温蠕变压杆试验机、米级试样百吨MTS高温力学试验机、高温高压腐蚀系统、微纳压痕测试系统、摩擦磨损测试系统等材料性能全方位测试能力。

        核功能材料主要针对先进闪烁探测晶体、光电晶体、温敏晶体等开展研究，开展从晶体材料制备、原位生长监测与调控、软件研发和晶体炉研制、材料性能评价、功能器件集成等一体化、全流程研究，所研发晶体材料和工艺达到国内领先、国际先进水平。

【成果1】面向更高安全要求的先进事故容错核燃料材料涂层的研发与性能评价

        本团队针对日本“福岛”核严重事故时锆水反应最终引起氢爆的安全问题，开展事故容错燃料（Accident Tolerant Fuel, ATF）研究。采用多弧离子镀气相沉积技术，自主研发了用于锆合金包壳的Cr涂层和CrN等系列ATF涂层。目前ATF涂层缩比模型（1:8）厚度均匀性可控制在1μm以内，同时其性能相比锆合金得到了极大改善。一方面，ATF涂层耐高温氧化性能明显优于锆合金，带ATF涂层样品在1160℃下的氧化增重同比降低了98% (系列成果发表在J Nucl Mater和Annal Nucl Eng上)。另一方面，ATF涂层的机械性能也明显优于锆合金，涂层使得包壳硬度和杨氏模量由3GPa和110GPa分别提升至22.5GPa和350GPa，在相同条件下的磨损量降低了3个数量级。在拉伸和疲劳性能方面，不同ATF涂层将会导致Zr4合金的拉伸性能提升，甚或降低。以上系列成果在国内鲜有报道，对于ATF涂层工艺提升、涂层选择和性能评价具有重要意义。

图1. 面向耐高温腐蚀辐照需求的ATF涂层制备、微观表征、性能评价一体化研究

【成果2】关键核结构和核材料的基于材料基因工程的服役性能评价、剩余寿命预报

        针对核反应堆高温、高压、腐蚀恶劣环境对结构合金提出的高性能要求，按照“材料基因工程”思想建立核合金的集成计算材料工程模型，致力于精确预测“工艺-微结构-性能”关系。下图所示为针对某核能合金的热挤压过程的大塑性变形、再结晶以及相关的织构演化进行预测，与实验结果一致；发展了考虑微结构影响的晶体塑性多尺度模型，成功预测微结构对合金塑性、疲劳和蠕变性能的影响。该方法已成功用于对锆合金、钛合金、FeCrAl合金等的加工过程及服役力学性能的预测。

另一方面，考虑到核反应堆结构焊接头在高温下的结构完整性问题，发展了基于基体和焊接区材料变形本构和微观损伤演化的晶体塑性损伤多尺度模型，在对实验室单轴和多轴蠕变构件准确预测的基础上，对服役20年的焊接管道蠕变损伤情况进行了预测，结果与实际管道孔洞损伤状态相符，用于预测高温结构件的剩余寿命和完整性监测。

图2. 关键核结构&材料的基于“工艺-组织-性能”的高温服役性能评价和寿命预报方法

【成果3】核材料辐照损伤的多尺度模拟与宏微观实验研究

        本研究主要针对关键核能装备在中子辐照下材料发生辐照脆化和硬化、肿胀蠕变等问题。核反应堆压力容器作为核电站建成后全寿期内不能替换的核心装备，辐照引起的性能退化/脆化问题，直接关系到核反应堆的运行安全、延寿评估。本团队针对核材料的辐照效应，开展了多个尺度的模拟，以期建立不同尺度的桥接，理解辐照缺陷演化对材料力学性能退化影响机制和定量评价方法。目前本合作团队在分子动力学、位错动力学、相场、晶体塑性-有限元尺度已经取得了可观的成果，对于RPV钢的韧脆转变温度预测与实验结果基本一致。

图3. 核材料辐照损伤的纳观-微观-介观-宏观多尺度模拟与实验表征研究

【成果4】核辐射探测用闪烁晶体的生长界面原位探测与调控、制备工艺创新

        闪烁晶体是用于探测核辐射的人工单晶，是核工业、核安全、核医学领域的支柱材料。课题组在闪烁体生长界面本征波动问题中取得突破性进展：实现界面状态的精准原位探测，并成功搭建界面波动闭环调控系统（获批授权发明专利7项、发表SCI论文9篇，获得国家、省市等多项基金支持）。该成果创造能在2000℃熔体中工作的“透视眼”，解决闪烁晶体缺陷积累和组份不均问题，突破1项长期阻碍闪烁晶体核辐射探测性能的瓶颈，对研制高分辨率核辐射探测器、精准断层显像等有极强的创新意义和应用价值。

图4. 闪烁晶体生长界面波动原位探测和闭环调控系统。

【成果5】特殊光电晶体的长余辉现象、机理及其应用研究

        在Pr:Mg:LiNbO3单晶中发现了X射线激发下的长余辉现象，发射光波长为619nm。阐述了产生长余辉现象的电子陷阱机制和调控可能性。发表SCI论文2篇，其中中科院JCR一区文献1篇，二区文献1篇，申请专利1项。

图5. X射线激发下Pr:Mg:LiNbO3单晶的长余辉现象

【成果6】核电环境辐射监测用大尺寸闪烁晶体的研制、晶体生长技术与装备研发

        核电安全是核电工业主要关注的问题。核电站使用的主要燃料均具有较大的放射性，因此对于核电环境辐射监测，保证人员及周围环境安全是核电安全中重大的研究课题。闪烁材料是当前射线探测器使用的主要传感材料，在射线辐照下能够发出可探测的光波，达到探测的目的。铈掺杂YAG是一种性能优越的闪烁晶体，课题组采用提拉法生长了均一性好、大尺寸的Ce:YAG。

图6. 核电环境辐射监测用大尺寸闪烁晶体的研发与应用