CSNS靶材料中氫氦濃度的計算及其模擬輻照研究.pdf

1、中國散裂中子源(CSNS)是目前我國在建的規(guī)模最大的重大科學(xué)研究基礎(chǔ)裝置。CSNS是采用高能加速器加速質(zhì)子束轟擊重金屬靶發(fā)生散裂反應(yīng)來產(chǎn)生中子的裝置，其質(zhì)子束功率和能量分別為500kW和1.6GeV。在高能質(zhì)子束轟擊重金屬靶的過程中，入射質(zhì)子和散裂中子與靶相互作用將導(dǎo)致靶產(chǎn)生位移損傷；同時，質(zhì)子和中子與靶核發(fā)生核反應(yīng)會產(chǎn)生大量的氫和氦，氫的聚集將會產(chǎn)生氫脆，氦的聚集將會產(chǎn)生氦泡，導(dǎo)致材料的氦脆。上述效應(yīng)都將嚴(yán)重影響靶材料的宏觀.力學(xué)特性

2、和使用。壽命。因此，開展靶材料氫氦濃度及離子注入導(dǎo)致的位移損傷等方面的研究，對評估靶材料的安全性和使用壽命具有重要意義。
　　本論文以CSNS中的鎢靶為研究對象，運用相關(guān)的物理模型，開展了以下工作：1）根據(jù)CSNS質(zhì)子束流的參數(shù)和質(zhì)子與鎢反應(yīng)產(chǎn)生氫氦的反應(yīng)截面，計算得到了鎢中氫氦產(chǎn)生速率；2）基于菲克第二定律和其在穩(wěn)態(tài)脈沖體系中的解，計算得到了鎢靶中氫氦的本底濃度和弛豫時間；3）通過引入裂紋尖端的應(yīng)力場理論，對氫氦濃度在裂紋尖端的

3、增大進(jìn)行了計算，從而得到了鎢靶中氫氦的最大濃度。結(jié)果顯示：氫本底濃度大約比氦本底濃度3個數(shù)量級；鎢靶中氫濃度達(dá)到最大值所需的弛豫時間為10-50天，氦濃度達(dá)到最大值所需的弛豫時間為7-13小時；在裂紋尖端，氫氦濃度會出現(xiàn)不同程度的增大。
　　采用離子注入的方法，對CSNS靶材料鎢、包覆材料鉭和候選材料金進(jìn)行了模擬輻照實驗研究。利用20MeV的Si+3離子和2MeV的He離子在室溫下對鎢、鉭和金進(jìn)行雙束離子注入，Si+3離子和He離

4、子注入劑量分別為為6.9345×1015ions cm-2和3.57×1016ions cm-2。然后對未輻照樣品和輻照樣品進(jìn)行納米壓痕、X射線衍射、掃描電鏡和透射電鏡測試，通過實驗數(shù)據(jù)分析得到以下主要結(jié)論：1)相比未輻照樣品，輻照后三種材料的硬度都有明顯的增大，其中鉭的硬度增加最大，金的次之，鎢的最小；2)輻照后三種材料各個晶面對應(yīng)的X射線衍射峰都有所展寬，分析其原因可能是輻照導(dǎo)致材料中產(chǎn)生了大量的位錯和缺陷；3)輻照導(dǎo)致了鎢的晶粒細(xì)