Fundamental Research | 肖湘衡：Laves相界面增强事故容错FeCrAl抗辐照性能研究

Fundamental Research 2022-12-31

Fundamental Research 2022年第2卷第3期封面

Laves相界面增强事故容错FeCrAl抗辐照性能研究

关键词：抗辐照材料，事故容错包壳，FeCrAl合金，原位离子辐照，元素偏析

随着核能发电在世界范围内快速发展，研究热点集中在事故容错压水堆、第四代先进核动力堆以及其关键结构材料。FeCrAl铁素体合金因其优异的抗氧化性能成为潜在的事故容错燃料(ATF)包壳材料之一。与商业包壳材料Zr合金不同，FeCrAl合金在中高温下可在表面产生保护性氧化层，防止核燃料包壳在典型核事故中进一步失效。

通过在FeCrAl合金中添加Nb、Mo等元素能有效促进细小的Laves颗粒的析出，提高合金高温强度。此外，由于Laves相在晶界或亚晶界析出的钉扎效应，回复和再结晶的微观结构得到了有效的稳定。先前研究表明，Laves相增强的FeCrAl合金在氧化、腐蚀和力学等实验中性能优异，具有作为先进核燃料包壳材料的潜力。然而，目前该系列合金的辐照实验数据非常有限，Laves相界面对抗辐照性能的影响以及Laves相自身在辐照条件下的稳定性有待深入研究。

近期，武汉大学肖湘衡团队在国家自然科学基金委员会主管、主办的Fundamental Research 期刊上发表研究论文。研究团队设计并制备了具有梯度Nb含量的FeCrAl合金，系统研究了重离子辐照下Laves相的辐照响应。利用原子层析技术分析了Laves相在辐照中的元素偏析，通过原位辐照实验与理论计算证明了高密度Laves相界面对合金抗辐照性能的积极作用（图1）。研究结果证明了在辐照条件下Laves相中存在元素偏聚，但未改变其尺寸与钉扎效果。即使处于辐照非晶态，这种非共格相界面依然能有效吸收辐照缺陷。该工作的结构与讨论将有助于优化事故容错包壳FeCrAl合金的成分和工艺，为先进核燃料结构材料的自主研发提供了研究基础与科学依据。

图1. 梯度Nb含量的事故容错FeCrAl合金以及其Laves相原子层析与原位辐照实验结果。

以上内容节选自期刊Fundamental Research 2022年第3期发表的文章“H. Xu, S. Si, Y. Li, et al., The effect of Laves phase on heavy-ion radiation response of Nb-containing FeCrAl alloy for accident-tolerant fuel cladding, Fundamental Research 2(3)(2022) 437-446”。

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主要作者简介

肖湘衡 武汉大学教授，国家杰出青年科学基金获得者。主要从事离子束微纳器件制备、离子束半导体缺陷态调制、抗辐照材料设计及评估三个方面系统研究。主持国家自然科学基金优秀青年科学基金项目。

徐航 武汉大学物理与技术学院在读博士研究生。研究方向是新型抗辐照材料设计与评估，特别是耐事故容错材料。

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