文献综述
1.研究背景
能源是人类赖以生存和发展的基础。进入21世纪后，随着社会的飞速发展，人类对能源的需求和消耗与日俱增。然而，在能源消耗上，对化石能源的过度依赖不仅导致全球气候变暖、高PM2．5等环境问题，也将导致传统能源面临枯竭的险境。发展低碳、清洁的新能源，如太阳能、风能、水能、潮汐能、核能等，是实现未来可持续发展的必然趋势。核能是非常可观的新能源。核能时代开始于核裂变的发现，并且反应堆的发展使核能利用变成了现实。理论上说，1千克的235U全部裂变所释放出的裂变能，大约相当于2500吨标准煤或2000吨石油燃烧时所释放出的能量。由此可知一座百万千瓦的燃煤电站，一年需要350万吨的标准煤，而同样功率的核能电站只需要1吨235U燃料，一般核电厂用的是235U富集度为3％左右的核燃料，这样做成燃料组件后也只有30吨[1]。核电站是利用核能的复杂系统，主要由核岛（主要是核蒸汽供应系统）、常规岛（主要是汽轮发动机组）和电厂配套设施三大部分组成。其中核岛中的反应堆压力容器(Reactor Pressure Vessel，以下简称RPV)是压水堆核电站最为关键的设备之一。反应堆压力容器是核电站的心脏，同时也是核电站防止放射性物质泄漏的第二道安全屏障，另外还是核电站在全寿期内唯一不可更换的大型设备，其作用有：1)燃料元件破损后有防止裂变产物外逸的功能；2)密封一回路冷却剂并维持其压力，是冷却剂压力边界的重要部分；3)在项盖上安装着控制棒管座及其驱动机构；4)装载着活性区及堆内所有构件，对堆芯具有辐射屏蔽作用。核反应堆压力容器与其它压力容器相比，除承受高温、高压、流体冲刷和腐蚀外，还要长期经受中子辐照，强烈的中子辐照使材料性能不断恶化。所以PRV材料的性能决定了核电站的使用寿命、安全性，是限制核电发展的关键要素。本课题通过三维原子探针技术及纳米压痕技术，对辐照前后的RPV Fe-Mn-Si三元基础合金进行微观组织分析和力学性能测试，研究辐照条件下微观组织结构的演化机理及与力学性能之间的联系，揭示辐照损伤形成机制，为设计新一代RPV材料提供思路和实验依据。
2.辐照效应
2.1辐照作用原理
在中子辐照过程中，入射中子与组成原子之间的碰撞导致动量传递到晶格原子。如果转移的能量足够大，原子就可以永久地从晶格位置转移，从而产生空的间隙对。随后的微观结构发展既取决于所产生的点状缺陷的迁移和聚类，也取决于这些点状缺陷与溶质原子之间的复杂相互作用。
材料辐照效应来自于入射粒子与材料晶格原子的相互作用，它包括碰撞过程、缺陷形成过程和微观结构演化过程。这将导致辐照肿胀、辐照生长和微观结构的变化。其中，碰撞过程包括入射粒子与晶格原子发生初级离位原子(Primary Knock—on Atom，PKA)和嬗变核素，以及初级离位原子和嬗变原子在晶格中产生一系列碰撞所形成的碰撞级联。碰撞级联(collision cascade)，也称为位移级联，能够在飞秒级时间内造成局部的大量点阵原子剧烈碰撞。如果碰撞级联中的入射能量高于点阵原子的离位阈能值Ethreshold时，则原子会被撞击出点格,点位置形成间隙原子，并在点阵上产生一个空位。在级联中，间隙原子会与部分其它点阵上的空位发生复合。随着能量的耗散，级联碰撞冷却下来，但还是会有大量的辐照诱发点缺陷存在于点阵中。在后续的演化过程中，这些点缺陷通过扩散、聚集或者与晶格中原有的缺陷如位错、溶质原子、相结构等发生相互作用，导致材料的微观结构的演化，包括位错环、层错四面体、空位团簇、偏析、空洞和气泡等[2-7]。这些微观结构的变化将使得材料损伤，且服役性能发生退化，如辐照肿胀、辐照硬化、蠕变和脆化等[2.8-11]。损伤可分为三种机制[12-16]。
（1）由辐射产生的点状缺陷簇引起的基体损伤。这包括，例如空洞、间隙团簇、位错环、困在阱处的复合物，如间隙杂质或位错。这些特性阻碍了位错运动，从而导致材料硬度和屈服强度的增加。
（2）辐照增强了Cu、Mn、Ni和Si等溶质原子的团簇的形成，与基质损伤类似，是位错运动的障碍。
（3）辐照诱导/增强了脆化元素(如P)的晶界偏析。
这些机制导致纳米尺度的微观结构变化，并能显著影响RPV钢在使用过程中的力学性能。基体损伤和溶质团簇导致硬化，而晶界偏析只导致脆化[17]。
2.2微观结构变化
辐照诱发溶质原子的偏析（radiation-induced solute segregation RIS）主要表现在溶质原子扩散到点缺陷（位错、晶界、空洞），引起欠饱和合金的析出，以及溶质团簇的自组织和无缺陷材料的析出。其原理是点缺陷（空位和间隙原子）在辐照下不断析出，产生缺陷过饱和，进一步产生点缺陷到阱（sinks）（位错、晶界、自组织等）的永久净通量，根据逆柯肯达尔效应（Inverse Kirkendall Effect IKE），产生溶质偏析[18]。
