辐射对普罗米修斯空间反应堆中镍基合金的损害的评估.docVIP

辐射对普罗米修斯空间反应堆中镍基合金的损害的评估 摘要 镍基合金被考虑用来制造普罗米修斯空间反应堆压力容器，其基本运行参数包括：运行温度900K，在中子流通量为的条件下能够运行15年。本文检验了辐射对镍基合金的性能影响，其结果表明相比于中子辐照引起的明显脆化，辐射诱导的肿胀和蠕变还是次要考虑因素。由于解释辐射引起脆化的原理还不能完全理解，将在很大程度上依赖于合金成分和辐射条件的氦脆化和溶质偏析联合起来解释很可能被接受。对变形的计算表明，在计算安全棒容器甚至可能在计算外部压力容器的寿命时有害气体氦的含量必须要考虑，主要是高能中子（E 1 MeV）与镍发生反应。由于外部容器接近含BeO的控制元件，来自于硼的氦仅仅对于外部容较明显。本文给出了进一步评估材料性能的建议和通过合金的设计使辐射损伤影响减到最小的方法。 1.简介 普罗米修斯计划意在建立一个能广泛执行外太空与地面任务的空间核反应系统，其基本组成是一个小型的快中子反应堆加上一个驱动发电机发电的直接由气体驱动的气涡轮系统（图1） 木星冰月轨道探测器任务被选为第一个任务并且需要运行长达15年，由于我们工作的重点向美国宇航局的转变，这项研究于2005年九月终止。下面是对确定用于反应堆压力容器的镍基合金的初步设计数据的汇总，列于表1： Table 1 Preliminary considerations for one design of the JIMO pressure vessel 从工程学角度来看，对这种容器最主要的担心的是包含加压氦氙气冷却液/工作液。从材料学角度来看，最主要的担忧是热蠕变、掺杂的氦气的腐蚀、焊接和辐射引起的脆化。本文评估了与木星冰月轨道探测器任务相关的辐射引起的脆化。 由于常用的奥氏体钢和铁素体马氏体钢没有足够的抗热蠕变性来满足在900K、70Mpa的环境下使用130,000小时而应变小于1%的设计要求，因而考虑用镍基合金和难熔金属合金来制造压力容器，设计行业研究青睐镍基合金，主要有两个原因，都主要是从工程学角度对在加压流体回路单点失效的担心相关。首先，难熔金属在比熔点低0.3或800-1100K时容易由辐射引起硬化和脆化。其次，在难熔金属与常用合金之间不同金属的联接由于金属间化合物的形成使得接缝处有韧性下降的倾向而变得非常具有挑战性，基于这些担忧，在初步设计中推荐使用镍基合金来制造压力容器来消除不同材料间联接的担忧。然而，许多研究表明镍基合金同样遭受辐射引起的损伤。1974年到1985年期间研究了用镍基合金制造美国液态金属快中子增殖反应堆的先进导管镀层材料【1】，之所以选用镍基合金是基于它们的抗肿胀性，与钠的兼容性以及高温环境下的抗热蠕变性，外加广泛的加工、装配工业基础【2,3】。早期试验表明含镍超过40%的镍基合金有极好的抗蠕变性能【4】，然而，这些材料容易受到辐射引起的晶界脆化。一些脆化机理已经提出，其中包括不同辐射强度引起的晶界析出【5】和晶界上氦气泡的形成【6】，相比于抗肿胀和脆化性较好的奥氏体钢与铁素体马氏体钢，镍基合金由于脆化而被放弃【7】。最近，镍基合金被研究用来制造聚变反应堆的第一层材料，初步研究表明，相对较高水平的中子辐射损伤（〉2×n/，E〉0.1MeV）将会明显导致氦气的产生【8】，因此其它材料还在探索中。 对于木星冰月轨道探测器任务，期望的中子通量将普遍低于液体金属快速增殖反应堆研究中的通量并且明显低于聚变反应堆研究中的中子通量，其导管区最大通量为1.6×n /（8dpa），E〉0.1MeV，压力容器为8×n /（4dpa）。预概念的核心几何结构的详细截面示意图见图2. Fig. 2. Details from a schematic cross section of a pre-conceptual Prometheus reactor core geometry for the Jupiter Icy Moon Orbiter mission: (a) top view; and (b) side view 英国Dounreay原型快中子反应堆核燃料包壳使用镍铬钛合金PE16的成功鼓励了镍合金的使用【9】。该材料在673-998K的温度下经历了1.6×n/ (80 dpa)而没有出现一个单个失效，这表明尽管辐射诱导脆化有据可查，但设计是可行的。除了沉淀强化了的PE16固溶强化后的哈斯特洛伊耐蚀镍基合金X，合金617和合金230也被考虑做压力容器材料（见表2）。 镍基材料与高合金铝，钛和这些铸造合金尽管有卓越的抗蠕变性能但由于其可焊性有限而不被考虑。固溶强化后的合金617和230相比于哈斯特洛伊耐蚀镍基合金X最近发展得更多并且表现出优越的相稳定性和机械性能，如抗蠕变性【10，11】，对于固溶强后的镍基合金受中子辐射的数据非常有限