项目名称：核电关键材料及焊接部位在微纳米尺度下的环境行为与失效Word文档下载推荐.doc

项目名称：核电关键材料及焊接部位在微纳米尺度下的环境行为与失效Word文档下载推荐.doc

《项目名称：核电关键材料及焊接部位在微纳米尺度下的环境行为与失效Word文档下载推荐.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《项目名称：核电关键材料及焊接部位在微纳米尺度下的环境行为与失效Word文档下载推荐.doc（23页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

以高度局部化为重点，发展材料在环境中微纳米尺度损伤演化的微细观理论；

以环境条件下的点蚀与裂纹萌生、短裂纹扩展为主，考虑长期服役的微纳米尺度的特点，兼顾多尺度损伤的全过程，发展材料环境行为的预测模型与寿命预测和控制理论。

发展材料微纳米尺度损伤早期监检测、材料与特定关键结构的寿命评估两类示范性技术。

从而使我国该领域的基础研究在国际上有更大影响，在材料的高温高压水腐蚀电化学、材料/力学/化学交互作用、监检测方法等方面处于国际先进水平；

在辐照损伤描述、寿命预测模型、核电材料微动磨损方面做出具有中国特色的工作。

以提高核电设备有效使用寿命、保障运行安全、降低技术事故率为目标，部分结果将直接用于我国核电站自主设计、自主建造、自主运行管理之中，从而创造重大经济效益和社会效益。

同时，也为核电关键材料国产化提供一定的科学依据。

2、五年预期目标：

（1）初步建立核电材料微纳米尺度下环境损伤和失效评价的理论方法

初步阐明核电环境/关键材料在微纳米尺度下的环境损伤机理，揭示材料破坏突发性和材料环境损伤渐进性间的内在联系，形成具有复杂环境适应性的失效预测方法。

在多环境因素对材料失效交互作用的非线性理论、材料在环境中损伤演化的微细观问题、材料环境行为的模型与寿命预测等方面做出一系列前沿性工作，认识合金元素对材料环境行为的作用机制，为材料国产化提供基础数据。

发表一系列有国际影响的论文，在相关基础理论方面达到国际先进水平。

力学/化学交互作用结果将在核电站材料制备和建造中的标准、规范、导则制订中起重要作用。

（2）形成与基础理论紧密联系的若干关键技术基础和两项示范性技术

包括以材料损伤发展为基础的剩余寿命评估技术，为我国的核安全评估与核电站延寿提供可利用的方法，力争在接管安全端结构的寿命评估中实际应用；

以复合与集成及在基础理论上的创新为基础的损伤早期监检测技术，实现大型试验台架的长期考核，努力探索在核电站中试用。

通过提高使用寿命或保障运行安全、降低技术事故率，带来重大的社会效益和经济效益。

（3）积累数据和经验，继续完善核电材料环境行为数据库，并为我国核电事业的发展培养一批人才和建设好试验研究基地。

继续收集国外数据，优化数据库结构，并把本项目数据入库，为材料设计与制备、核电站设计、安全分析提供支撑。

特别是得出60年的辐照损伤数据可直接为我国核电站寿命延长服务。

培养一批不同层次的人才队伍，包括省部级以上优秀人才、博士生、硕士生。

形成核电材料安全评价与检测联合基地，以满足国家核电大发展的需求，不断集成和提高技术水平和创新能力，为我国核电工业的高速发展奠定基础，为自主解决核电材料工程问题提供必要的技术支持。

三、研究方案

1、学术思路

核电材料工作在特殊的高温高压水环境条件下。

材料的高温电化学的热力学、动力学是研究材料环境行为的基础，环境参数、力学参数、材料成分与微观结构的影响必须澄清。

同时，把材料本身的微观结构与表面膜联系，特别是将膜的特性与电化学行为联系是认识规律和澄清机理的关键。

而采用高温高压水中的原位测试方法（含电化学、光电化学、膜结构等）则是获得良好结果的重要手段。

而辐照又会对腐蚀过程产生显著影响。

材料在服役环境中发生局部腐蚀和应力腐蚀归根结底是由于微纳米尺度缺陷处金属原子的化学位增加，而制备过程中的表面冷加工和焊接不可避免，会在结构表面或内部产生高能结构或微区化学不均匀。

点蚀坑底部或裂纹尖端在纳米量级上高度局部化（局部材料、局部化学、局部力学）的特性与整体存在显著差别。

因此，必须通过研究晶界结构和网络拓扑分布及晶界化学、裂纹路径、近裂尖、裂尖和裂尖前沿潜在裂纹发展路径上的化学/结构/力学等因素，利用最先进的分析手段表征微纳米尺度的结构和化学不均匀，然后跟踪其腐蚀损伤演化过程，发现材料发生腐蚀和应力腐蚀破坏的机制。

同时，环境中腐蚀产物和某些元素的沉积、扩散及其对材料腐蚀行为的影响也需要澄清。

辐照脆化的损伤机制是判定反应堆压力容器是否能够使用60年的关键。

辐照硬化和脆化的根本原因在于辐照过程中部分元素在纳米量级上的团聚、这些团聚缺陷和材料的原始缺陷对材料塑性变形过程的抑止，它涉及位错与辐照缺陷的交互作用。

大量的实验不但非常昂贵，并且由于辐射问题实验难度也很大，需要通过第一原理计算研究合金元素和残余应力对团簇形成的影响，并结合小试样试验认识这种析出原子团簇的交互作用过程及其与脆性转变温度间的关系。

微动磨损是蒸汽发生器中除应力腐蚀以外最主要的失效方式。

微动磨损涉及到局部接触点材料的组织和性能、环境温度、水介质参数、载荷、位移、频率等微动参数，是典型的多因素交互作用行为，非常复杂。

在高温高压水中的数据极少。

高温高压水环境和微动参数对材料钝化膜特征、质量、修复能力和磨损速率的影响数据至今少见。

计算机模拟计算与实验结合则有可能提供出有效结果。

核电站设备要求高可靠性和安全性，损伤和缺陷的检测与监测必然要求早期、无损、在线（原位）。

基于腐蚀的电化学本质，根据本973项目上一期的基础，电化学方法有可能满足实现在微纳级上的在线腐蚀损伤评价。

但该检测方法需要向实用化发展，同时必需考核其在长期监测过程中的稳定性、可靠性，建立起可靠的方法和评价体系。

寿命预测模型既需要与损伤机理之间建立有机结合，又要根据具体结构的特征加以分析。

由于要求核电站结构使用寿命长，焊接部位的微观应力、材料微观结构等对寿命和可靠性的影响明显。

考虑环境因素后的材料的损伤判据与目前使用的判据有几倍甚至几十倍的差别。

2、技术途径

高温电化学的研究将采用电位-pH图研究热力学，极化曲线、电化学阻抗与电化学噪声研究动力学。

通过理论计算、高温高压水电化学参数的原位测量、并把电化学研究与材料微观结构分析有机结合。

对高度局部化的环境特征和腐蚀产物特征，利用拉曼光谱考察成分的影响，用红外光谱原位测试分析，用原子力显微镜配合电化学直接观测，用带窗口的高温高压水模拟装置原位研究光电化学、表面膜结构以及电化学特征。

用划伤电极研究膜的再钝化行为。

采用稳定同位素标记方法，研究高温高压水环境中的氧化腐蚀机制。

采用严格控氢控氧的模拟核电一、二回路的高温高压水腐蚀试验装置进行腐蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳、微动磨损试验。

采用开展模拟辐照损伤的实验；

采用计算机模拟描述辐照损伤过程以减少昂贵的实验。

利用人工神经网络分析各影响因素间的相互作用，建立各影响因素的关联度。

微观分析将采用扫描电镜、电子背散射谱、二次离子质谱、高分辨透射电镜、聚焦离子束、三维原子探针、小角度中子散射、正电子湮没、同步辐射X射线衍射、傅立叶红外/远红外光谱、扫描隧道与原子力显微镜、同步辐射角分辨光电子能谱、俄歇能谱法、X射线光电子能谱等手段。

辐照损伤研究则既开展中子辐照试验，也开展离子辐照模拟试验，同时进行热模拟和计算机模拟研究。

在此过程中开展小试样试验和从宏观到原子层次的多尺度微观分析。

最后不仅获得60年辐照的数据，同时通过建立模型实现预测80年的辐照行为。

寿命预测方面，不仅直接进行大量实验室试验，而且将应用计算机技术，系统分析微观上的力学、化学成分分布，特别针对焊接部位周围进行细致分析，注重力学/化学/材料之间交互作用，建立模型开展预测。

以力学与化学的交互作用为例，技术路线如图4所示：

图4力学/化学交互作用研究的技术路线图

以辐照损伤为例，技术路线如图5所示：

图5压力容器辐照性能与辐照老化模型预测研究技术路线

3、可行性分析

本项目已具备了良好的研究设备条件，包括实际核电站环境模拟设备、微观分析设备、实验室检测设备等。

承担项目的各单位在许多前期项目的支持下已取得了良好进展。

特别是两期973项目“材料的环境行为与失效机理”、“核电关键材料的环境行为与失效机理”整体从基础理论方面已经为本项目的进一步突破提供了较好的基础。

同时，上个973项目的相关研究结果得到国外同行的承认，并应邀在相关国际大会上作特邀报告。

举两个例子：

（1）在高温高压水中核电材料的表面膜、电化学热力学和动力学研究方面的结果受到国外关注，应邀在日本举办的亚太地区核电材料会议上做唯一的大会特邀报告。

通过与高温高压水电化学研究的奠基人、美国宾州大学的Macdonald教授交流，他计划在2011年到中科院金属所进行合作研究。

（2）在核电高温高压水应力腐蚀机理方面的研究结果发表后，国际著名环境断裂专家Newman教授在组织2010的Gordon会议时邀请本项目人员前往做特邀报告。

在辐照损伤研究方面，我国有热室的两个单位都继续积极参加。

同时，拥有我国唯一的三维原子探针单位和经验丰富的院士队伍也在其中。

已形成了老中青相结合、具有相当研究经验的研究骨干队伍，中青年一代10余名具有在国外从事相关研究工作的经验；

研究单位包括长期专门从事核电研发工作的研究所、中科院研究所、大学、企业研究院所，形成了具有实力的跨部门、跨行业的强-强联合的研究网络，各单位之间的工作无论从已有基础、还是从知识面与研究的侧重面均有互补性。

与国外知名单位已建立了较好的交流合作渠道和关系，例如，美国的EPRI、GE、日本国立材料科学研究所、日本东北大学、韩国科学技术院、韩国汉城大学、比利时SCK·

CEN研究所、瑞士PSI研究所，日本京都大学能源研究所等等。

现代基础科学与理论（如：

协同学、非平衡态热力学与耗散结构、表面物理与表面化学、灰色系统理论、模糊数学等）的新进展使本项目的研究突破成为可能；

现代分析测试仪器（如：

聚焦离子束、三维原子探针、小角度中子散射、正电子湮没、扫描隧道与原子力显微镜、俄歇能谱法、环境扫描电镜、定量会聚束衍射、同步辐射X射线衍射、同步辐射角分辨光电子能谱、微区电化学技术、激光拉曼、傅立叶红外/远红外光谱等）的发展为本项目的研究突破提供了手段；

计算机科学与技术的发展为材料环境行为的计算机分析与模拟提供了保障。

举一个例子：

材料在高温高压水中腐蚀或产生应力腐蚀裂纹后，已经形成了表面产物膜或应力腐蚀裂纹；

然后在体溶液中加入氧或氢的同位素做示踪原子，研究体溶液中溶解氧的同位素或氢的同位素如何通过已有产物膜的缺陷通道到达材料表面参与腐蚀；

如何在已经萌生的裂纹内扩散和参与裂尖材料的腐蚀开裂。

因此，本项目的研究具有很强的可行性，不仅会在基础研究方面取得重要进展，而且会带来重大社会效益和经济效益。

四、年度计划

年度

研究内容

预期目标

第

一

年

1.实验材料的准备、样品加工和处理；

2.材料微区电化学行为与高温电化学行为的研究；

3.遴选理论模型和计算方法，通过计算确定中子对新锆合金模拟辐照损伤的作用规律；

完善光电化学实验平台；

4.研究应变率冷加工处理对低碳不锈钢样品应力腐蚀的影响；

5.研究不同晶界特征样品的腐蚀，利用电子显微镜分析晶界碳化物形貌及分布与晶界结构的关系；

6.国产RPV材料力学性能测试；

非放射性小样品（0.5CT）多试样法测试断裂韧性技术研究；

中子辐照方案设计；

7.开展合金元素对Cu团簇影响的第一原理计算；

通过对模拟辐照损伤材料的堆外340～400℃不同时间的时效处理，研究杂质元素原子团簇的析出过程；

8.改进微动磨损设备和高温高压水汽环境设备，研究主要微动参数、材料微观参数对裂纹萌生\扩展、摩擦系数和磨损量等的影响；

搭建计算平台，基于现有蒸汽发生器设计，计