电子背散射衍射在核能材料研究中的应用亚博网站下载

当今世界面临的最关键的挑战之一是对能源的需求日益增长。由于地缘政治不稳定、污染和可获得性下降等固有问题，以及成本上升和与更复杂的开采技术相关的风险，一些国家正在努力减少对化石燃料的依赖。

如今，一系列能源如核能、光伏、生物燃料、水力发电和风能正在被考虑。2008年，印度英迪拉甘地原子能研究中心的Baldev Raj, M. Vijayalakshmi, P.R. Vasudeva Rao和k.b. S. Rao发表了一篇题为“可持续核能材料研究的挑战”的杰出文章。亚博网站下载他们解释了核工业中的新兴技术，以及为使这些技术成为能源生产的可行现实而必须克服的材料挑战。

作者描绘了使核能成为一种更有吸引力的能源的五个长期目标:

1. 通过转移到高温反应器来提高热效率
2. 高温反应堆的多种工业应用(即将热量用于商业用途，例如海水淡化或建筑供暖)
3. 更好的燃料(例如钍)和冷却剂，特别是在快光谱反应堆
4. 使用加速器驱动系统通过原位焚烧增强安全性和最低核废料
5. 商业上可行的融合技术

作者们观察到，为了实现这些目标，全球合作日益加强，并预计在21个国家的后半段将实现商业聚变能源生产^英石世纪。然而，实现这些目标的一个重要步骤是克服这些复杂技术带来的物质挑战。

高温机械性能，抗辐射性，可制造性，冷却剂兼容性和燃料兼容性是普遍关注的领域。通常，与核心外材料相比，核心部件材料会经历更极端的条件。亚博网站下载

本文介绍了raj等人中提到的材料挑战。亚博网站下载纸张并强调一些自动化EBSD或的地区定向成像显微镜(OIM™)能够在解决与下一代核电有关的材料问题方面发挥关键作用。它还对科学文献中报道的一些核材料研究进行了简短的回顾。亚博网站下载

目前的技术

对现有反应堆技术进行多大核材料研究的目的集中在获亚博网站下载得更高的“烧伤”（每单位燃料的能量产生）上。表1基于RAJet al。论文阐述了一些主要的组成部分，目前使用的材料，以及主要的挑战。亚博网站下载

表1。亚博网站下载材料和材料问题的热和快速光谱核反应堆的几个关键组件

反应堆类型	组件	亚博网站下载	亚博网站下载材料的挑战
热	燃料包壳	锆基合金	中子经济
热	压力容器，管道	碳素结构钢	成本和腐蚀
热	涡轮机和蒸汽发生器	低合金钢，12%铬钢	成本，腐蚀，高温和压力
快速地	穿着和hexcon	冷加工316不锈钢，不锈钢合金D9（15％Cr，15％Ni-Ti稳定），铁素体钢	空穴膨胀，辐照蠕变，辐照脆化，拉伸强度，延性和蠕变强度，钠相容性，燃料和裂变产物
快速地	结构材料亚博网站下载	316不锈钢或316 L（n）不锈钢钢	抗拉强度、蠕变低周疲劳、蠕变疲劳相互作用、焊接性、可加工性
快速地	蒸汽发生器	改性9Cr-10Mo铁素体钢	钠兼容性，蒸汽耐腐蚀，烦恼和磨损

在选择热反应器的材料时，关键考亚博网站下载虑正在选择具有低吸收中子的原料。锆符合这种需求。已经进行了相当大的研究，以产生具有优化的化学性质的广泛的锆基合金，以提高腐蚀和辐射行为，并且由于热机械加工而具有疏忽脆性的倾向。

新材料需亚博网站下载要克服与氢化、辐照生长和脆化有关的挑战，以实现更高的燃耗。

快速反应器（或快中子反应器）使用快中源维持裂变链反应。快速的反应器可以开发出比使用（饲养员）的更具裂变材料，或者焚烧燃料，以产生能量和/或将长半衰期的垃圾转化为更少麻烦的同位素（燃烧器）。辐照蠕变和空隙肿胀是快速反应器中的两个关键材料挑战。亚博网站下载

这些因素引起的尺寸变化和密度减少带来了几种工程问题。为了获得更高的燃烧，这些材料被推到了边界。亚博网站下载例如，铁素体钢在暴露于辐射时倾向于变脆。通过谷物边界工程（GBE），正在进行一项研究来克服这个问题。

快速反应堆热效率的一些短期提高伴随着冷却剂出口温度从823 K上升到1123 K左右。因此，有必要开发耐高温蠕变的抗辐射材料。亚博网站下载

铁素体钢与二氧化钛和氧化钇（ODS钢）的分散纳米颗粒是一种潜在的包层材yabo214料。然而，与这类钢有关的问题包括变形纹理，生产性和机械性能各向异性。

新材料亚博网站下载

为了获得更高的燃耗，正在开发复杂的抗辐射材料，包括Zr-Nb的四元和三元合金。亚博网站下载以下Raj等人的声明阐明了将新材料引入核部门的困难:亚博网站下载化学，微观结构，核心行为和反应器中的复杂相互作用需要在核工业接受之前的许多锆基合金的详细评估和验证．”这确实适用于任何新材料，因为必须验证候选材料以确保其满足核反应堆中存在的具有挑战性的操作条件。

Chen, Sridharan, Ukai, and Allen(2007)对氧化物弥散强化(ODS)钢的研究就是一个很好的例子。研究人员使用了各种表征工具，如OIM™和能量色散光谱(EDS)来分析这些材料暴露在超临界水中的腐蚀行为，特别是晶界的作用。亚博网站下载ODS钢特殊的蠕变性能使其成为快堆包层应用的候选材料。亚博网站下载

通过将OIM™与其他分析技术相结合，提供微结构的完整表征 - 结晶，以及可以收集材料的化学方面。这种信息对于了解微结构的结晶和化学方面之间的“复杂相互作用”是重要的。作为示例，图1说明了从氧化铝和氧化铜之间的界面收集的同时进行的OIM™/ EDS结果。

图1。混合元素图(左)、相位图(中)和方向图(右)叠加在基于扫描中每个点的EBSD模式质量的灰度图上。地图由同时收集的EBSD和EDS数据构成。

改进的材料模型

为了克服核工业中的材料问题，材料行为的精确建模是很重要的。在实验室环境中重现最新的核反应堆具有挑战性的操作条件通常是复杂的，如果不是不可能的话。

预测材料的行为需要精确的材料模型，而这反过来又需要对微观结构和性能之间的相关性有一个基本的了解。随着OIM™作为表征晶体取向的实用工具的引入，现在有可能改进各种连接微观结构和性能的材料模型，包括取向信息，以便更精确地模拟微观结亚博网站下载构演变和更准确地预测变化条件下的材料性能。

文献提供了许多良好的例子。例如，WU，PAN和托管素（2007）已经证明了如何使用从OIM™数据获得的信息进行建模在316L不锈钢上对316L不锈钢的效果。他们使用OIM™来表征局部杂乱（塑料应变的指示），晶体学，滑移系统活动和孪生，并且该信息又用于增强有限元建模（FEM）结果。图2表示本研究的一些样本EBSD和FEM结果。

图2。OIM™取向图（左）和有限元模拟应力轮廓（右）用于316L不锈钢槽样品。（改编自吴，潘和托管，2007）

Medevielle、Hugon和Dugne(1999)对系统U、Zr和O(称为堆芯体系统)进行了安全研究，报告了建模的另一个例子。堆芯是重要的，因为它包括管(锆合金)与核燃料(UO)的熔合的关键部件₂)。EBSD与波长色散光谱（WDS）一起使用，明确地识别通过在不同的氧浓度下融合芯片所实现的样品中存在的相的复杂性。化学（通过WDS）和结晶（通过EBSD）所得氧化物的表征允许热力学计算来预测高温下芯的行为。

谷物边界工程（GBE）

晶界工程使用热机械加工来改变组织，以支持特定类型的晶界，以改善晶界敏感材料的性能。例如，某些种类的晶界可能是耐腐蚀的，而另一些可能更脆弱。以腐蚀敏感边界为代价增加耐腐蚀边界的比例是提高材料性能的一种方法。

例如，Alexandreeanu，Capell，并且（2001）已经证明，GBE可以提高合金600蒸汽发生器管材料的耐腐蚀性。此外，他们已经证明，通过鼓励重合部位晶格（CSL）边界的存在，可以获得增强的性能。存在CSL边界，其中在与晶界的邻接邻接的晶格之间共用原子，并且与随机边界相比，假设在与腐蚀的耐腐蚀性较小。

这些有益类型的边界通过一系列热机械处理将其掺入材料中。亚博网站下载如图3所示，通过这些处理增加CSL边界级分导致裂纹边界的分数减少。谭，斯里德哈兰等。（2006,2008）表明，可以通过灌注800H和617（候选IV核电力系统的候选合金）通过GBE获得耐腐蚀性的类似改善）。

图3。在15%应变下，边界的总开裂率与OIM™测量的CSL边界分数的相关性。(摘自2001年卡佩尔和Was出版的《亚历山大努》的数据)

OIM™是GBE研究的优秀工具，因为它有潜力足够快地表征晶界的晶体结构，促进概率分析，推测未来部件性能和可靠性是可能的。（谭，斯里德哈兰和艾伦，2008）。

质地

OIM™在微结构中的各个点处确定晶体取向，因此它是研究各向异性和纹理的完美工具。纹理被定义为多晶材料中的组成颗粒的晶格取向的统计分布。在其单晶形式中的大部分材料表亚博网站下载明了关于晶体的取向的某种形式的各向异性（或方向性）性质。例如，六边形晶体可以在平行于晶体的基极方向或C轴的方向上的方向上具有不同的值，该方向对应于正常到C轴的方向。

杨氏模量在C轴方向上（28.7x10^－１２m²/ n）大约比垂直于C的方向大约三倍（8.4x10^－１２m²/ N)(奈,1985)。通常认为，多晶中组成晶体的这种定向变化在多晶的主体上是平均的。然而，如果材料有纹理，那么通常它也会有各向异性。

结构对Zr-Nb压力管吸收氘(Lehockey et al.， 2007)中延迟氢化物开裂(DHC)的影响是这些概念在核应用中的一个例子。本研究发现，如图4所示，在垂直于压力管纵向方向的基极(c轴)广泛分布的微观结构中，氘(D)吸收较高。根据这项研究的作者，由OIM™测量的D上摄取和纹理之间的相关性可以提供一种用于在制造过程中优化处理/热处理以最小化DHC易感性的一种方法。或者，它可以允许筛选样品的方法来鉴定有DHC风险的安装压力管。”

图4。(0001)极图显示了(a)低氘吸收和(b)高氘吸收Zr-Nb管的结构。(改编自Lehockey, Brennenstuhl, Pagan, Clark and Perovic, 2007)

OIM的其他实例™纹理研究基于锆合金已经被一个和Ishimoto(2006)对锆合金包复各种热机的处理,重点是结构之间的联系和氢化物沉淀和霍尔特和赵(2004)的研究结构的演变在挤压zr - 2.5 - nb管。

燃料循环

核电商业发展的关键是核燃料循环。由于与核废料流相关的成本，期望封闭的燃料循环。研究正在通过再处理和重新利用反应堆中的废燃料来关闭循环。然而，在实现该技术之前，在存储库中安全地存储废料是燃料循环的重要组成部分。若干研究研究正在进行这一领域。两个例子是对储存容器（Lehockey等，2007）的研究以及在与地下水接触后燃料本身的溶解（Römer等，2003）。

废物容器

OIM™已被用于研究提高铜废容器焊缝的完整性，该容器正在为长期储存用完的核燃料而开发。OIM™用于表征焊缝内塑料应变的局部分布，以及焊缝周围的纬向材料区域。

OIM™能够测量方向的变化，分辨率为亚微米尺度的十分之一。这些局部方向变化提供了材料中应变的相对指示。具有高局部取向变化的区域表示与非训练区域相关的高度应变区域，其中取向变化可以忽略不计。例如，可以使用这些信息来观察局部加热对微结构的影响，例如在焊接期间产生的影响。Lehockey等人使用OIM™，（2007），（2007），用于检查用于长期储存核燃料的铜废料容器中的焊接裂缝 - 一些样品结果如图5所示。这项研究的作者表示“OIM™证明在建议开发更均匀的热处理方面是有用的“以避免焊缝开裂。不同金属的焊接也会产生问题，可以使用OIM™解决(Nelson, Lippold, and Mills, 2000)。

图5。在废铜容器焊接的不同位置应变大小的变化(由不同程度的局部错位指示)。(改编自Lehockey, Brennenstuhl, Pagan, Clark, and Perovic, 2007)。

UO₂解散

Römer、Plaschke、Beuchle和Kim(2003)利用EBSD结合电化学原子力显微镜(AFM)，发现氧化铀的溶解速率具有很强的各向异性。从图6可以看出，(001)面与(红色)面几乎平行的晶粒的溶解速率比(111)面晶粒的溶解速率快。这种理解对于保证核废料储存库的有效安全评估所需的精确溶解建模是很重要的。

图6。SEM腐蚀铀氧化物的SEM显微照片，显示出不同溶出水平的晶粒和相应的EBSD图案和取向示意图。（改编自Römer，Plaschke，Beuchle和Kim，2003）。

铀氢化物

金属铀合金是可用作燃料的候选材料。亚博网站下载氢化铀可以作为制备活性铀粉的原料。亚博网站下载在氢存在的情况下，将金属铀在250 - 300°C的温度范围内加热，可以产生氢化铀。OIM™用于确定结构对氢化物引发和生长的影响(Bingert, Hanrahan, Field, and Dickerson, 2004)。图7显示了这项工作的一些结果。

图7。OIM™取向图显示了氢化物中的变形孪晶α-铀和大块纹理以灰色强度显示，在反极点图形形式覆盖在方向图中的关键方向组件的位置。(改编自Bingert, Hanrahan, Field and Dickerson, 2003)。

长期的发展

所有以下的长期发展都需要对反应堆的结构材料进行持续的研究，这些材料能够在这些反应堆中存在的应变、辐射和热条件下发挥作用。亚博网站下载相反，对于每一个反应堆的发展，其他材亚博网站下载料的挑战也必须解决。OIM™肯定会在寻找解决这些问题的方法方面发挥作用。

高温，多用途反应堆

高温反应器技术需要选择新的材料，例如，复合材料，高级涂层和耐火合金。亚博网站下载”亚博网站下载材料行为，如微观结构稳定性;机械性能，如蠕变、疲劳和韧性;化学性质，如腐蚀和相容性需要理解在更高的温度和辐照水平的新领域。(Raj et al.， 2008)

为大多数这些材料创建了与微结构的属性相关联的模型，在较少的苛刻的操作条件下。亚博网站下载然而，必须确认这些模型在更极端的服务条件下的有效性，需要属性，以及这些更严重的照射和温度制度的数据点的微观结构数据。包含OIM™数据提供了更全面的微观结构解释，可以帮助增强这些模型。

快反应堆

这一发展领域的长期目标包括氮化物、碳化物或金属合金等替代燃料。尽管使用这些燃料的系统的包层和结构材料与那些已经在使用的类似，但再处理这些亚博网站下载燃料的废料可能需要先进的材料，因为再处理会产生高度恶劣的环境。(Raj, Ramachandran, and Vijalakshmi, 2009)。Raj等人指出使用前面提到的一些技术来满足快速反应堆的要求。这涉及到晶界工程以提高抗晶间腐蚀能力，添加次要元素以增强孔洞膨胀行为，以及改进模型以提高预测潜力。

铀 - 钼体系是金属合金燃料的研究的一个例子。Medevielle，Hugon和Dugne（1999）能够在求助处表征凝固结构并最终观察到树突EBSD测量．这些树突在凝固过程中表示液相反应，如图8所示。在时间上，可以在从转变后微结构的取向图（Cayron，2009）的相变映射之前鉴定微结构。

钍燃料循环

对于基于钍的燃料，必须使用相对高的氟化浓度以进行再处理。这诱导了在富含氟化物环境中耐腐蚀的材料的广泛研究。亚博网站下载在音乐会随着先进的材料开发来满足这一要求，晶界工程是一种既定的工具，用于提高某些系统中的耐腐蚀性，亚博网站下载也可能在基于钍的燃料开发中起作用。The ability to measure chemical composition and its spatial distribution in materials makes EDS a perfect tool for conducting research into a sophisticated material’s performance in a fluoride-rich environment and due to the ability of EBSD to characterize grain boundaries, it is a vital component of any grain boundary engineering work.

图8。钼凝固组织的扫描电镜图(上)。对应的(001)极图(下)。(改编自Medevielle, Hugon, and Dugne, 1999)。

加速器驱动系统

对于这些系统来说，隔离反应堆和加速器的窗口材料是最大的材料挑战。窗户材料必须耐腐蚀，耐辐照，耐液态金属和氦的脆化，并应具有良好的热物理性能。OIM™可以通过微结构优化提供信息来提高性能。

融合

需要在所有核技术的结构材料方面取得更多的发展。亚博网站下载然而，等离子体表面材料是聚变材料研究的主要领域亚博网站下载。这些材料暴露亚博网站下载在高中子辐射下，也受到强的机械、热和电磁载荷。

钒合金、高级铁素体钢、钨基耐火合金和碳化硅复合陶瓷正在开发中，以满足这些苛刻的要求。此外，材料研究的重点是涂层亚博网站下载技术，以消除氢脆，这是钢和钒合金的一个具体问题。以前，材料的行为已经被证亚博网站下载明对暴露条件高度敏感。因此，将一种材料在一个系统中的响应外推到另一个系统通常是不准确的。

这消除了用于更精确的预测能力的材料微观结构的完全表征的需要。OIM™和EDS在理解材料对材料行为上的效果方面发挥着至关重要的作用。例如，OIM™已被用于分析P91马氏体钢（Fournier，Sauzay，Renaut，Barcelo，Pineau，2009）的疲劳和蠕变 - 疲劳行为。9％-12％CR马氏体钢已被选为未来融合反应堆中结构部件的候选材料。亚博网站下载

图9。接收状态显微结构的取向图(左)和823K各循环加载后每块板条的平均平均取向偏差(右)，其中Δξ_F为规定的疲劳应变范围。(摘自Fournier, Sauzay, Alexandra, Barcelo, and Pineau, 2009)。

结论

”核材料研究人员和亚博网站下载技术人员获得了丰富的经验，在过去的三十年中获得了富含锆的合金和特种钢等现代材料的行为的经验。目前的趋势表明，这些材料将在立即进行的未来发生增量变化，以增加燃料的燃烧和反亚博网站下载应器的寿命。然而，在诸如耐火合金，复合材料，陶瓷，低激活钢和涂层等诸如耐火合金，复合材料，陶瓷，低激活亚博网站下载钢和相关处理技术的持续研发对于满足新兴核技术的需求至关重要“（Raj等，2008）。OIM™可以在这些研发要求中发挥重要作用 - 四个公共区域是：

• 在谷物边界具有发挥作用的领域，OIM™应被视为表征工具箱的主要组成部分。腐蚀损伤和脆化通常沿晶界发生。晶界工程可以在主要与内核应用中的极端环境中提高材料的性能方面发挥重要作用。作为用于在多晶体材料中表征晶界分布的公认工具，OIM™有助于使晶界工程为定制材料的微观结构来定制材料的微观结构，以优化其在经历的表面上降低裂缝，腐蚀或颗粒间攻击。亚博网站下载攻击性环境与核应用先天。
• 几乎所有的制造过程都在一定程度上赋予材料纹理。亚博网站下载在良好的特征和良好控制的加工过程中，对纹理演变的深入了解是材料模型精确发展的重要输入。亚博网站下载精确模拟材料的响应是改进开发过程的关键，以生产具有特别定制的微观结构的零件，以满足零件的使用要求。由于OIM™能够提供统计相关和空间特定的方向数据，它是为科学家提供复杂的基于有限元建模所需的关键方向数据的完美工具。
• 除了纹理外，通过变形方法开发的部件，如挤出，轧制或锻造也包括一定程度的残余菌株。有时，这通过热处理来缓解。然而，在其他时代，材料留在紧张状态。此外，组件中的材料也可以在操作条件中应变。通常，菌株均匀地分布在组件上，但在微米尺度上局部不同。OIM™提供了一种方法来表征这些局部变化的应变，其可能测量取向的局部小变化。类似的信息对于优化热机械形成路径非常有用，并且还用于了解服务时的诱导应力状态。

• 利用集成系统，可以一起使用OIM™和EDS，以提供洞察结晶结构和化学组成的相互作用，因为开发的新材料或材料系统。亚博网站下载这种能力可以有助于表征多相体系的微观结构内不同相的空间分布，甚至在阶段的识别中。有关散装相变或第二阶段夹杂物的信息可以在辐照，菌株或温度方面提供对这些材料经历的当地条件的关键洞察。亚博网站下载这些信息对于精确地模拟这些材料在放置的不利服务环境中的行为是重要的。亚博网站下载

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