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几种典型材料中子辐照损伤模拟计算廖哲，熊忠华，张鹏程，陈琦（中国工程物理研究院，绵阳 ）摘要基于 模型，利用 和 程序，模拟计算了种典型辐照场景下，、和 等常用材料的中子辐照损伤参数。计算结果表明，产生速率和 产生速率与辐照场景的中子能谱关系紧密，是比较好的耐中子辐照材料。关键词 模型辐照损伤 产生中图分类号：文献标识码：，（，），廖哲：男，年生，工程师，研究方向为材料辐照损伤 ：引言 指出，核技术的成败取决于材料在反应堆中强辐射场下的行为。其后核动力堆、核电站、快堆和聚变堆的发展都证实了 的断言。反应堆运行时，大量的高能中子辐照到燃料包壳和结构材料上，与材料发生一系列的级联碰撞，使材料在运行寿期内产生大量离位损伤，同时辐照过程中核反应（，）、（，）产生的气体和辐照缺陷聚集引起辐照肿胀都会严重影响燃料元件包壳及结构材料的力学性能。但受实验条件的限制，关于材料的中子辐照损伤研究进展缓慢，这主要是因为缺少高通量和硬能谱的辐照装置，在短时间内无法得到需要的高损伤剂量。随着计算机技术的发展，通过计算机模拟技术对材料辐照损伤的研究取得了一定的进展，等利用 和 程序计算了国际聚变材料辐照装置（）靶组件的 （，平均每个原子离位）和 产生速率。等利用 和 程序模拟计算了日本散裂中子源重要组件的 值。邹俊等利用 程序计算了聚变驱动次临界堆第一壁材料 钢的 和气体产生。等利用 程序计算了堆用结构材料的 和 产生速率。本课题组基于 模型，利用 程序的 模块处理评价核数据库得到材料的离位横截面，模块生成气体产生截面，再通过 程序模拟计算了 种典型辐照场景压水堆（）、沸水堆（）、高温气冷堆（）及快堆（）下材料的损伤状况，即 和 的产生速率。计算模型与参数 模型并不是所有的入射粒子能量传递给被击原子都导致材料的辐照损伤。能量传递给原子内部电子，造成电离和电子激发效应，但在材料中不会持续，仅部分能量传递到原子核，产生次级离位并形成点缺陷，这部分能量称为辐照损伤能量 ，模型即用来描述 的计算过程。（）（）（）（），（）（）（）（）（）（）（）（）式（）（）中：为离位阈能，为波尔半径（），是电子电荷，、和、分别是入射原子和靶原子的原子质量和原子序数。计算模型 的计算可通过式（）获得 （）（）（）式中：（）为能量为的入射粒子的离位横截面，（）材料导报 年 月第 卷专辑 为入射粒子的通量；为辐照时间。由式（）可看出（）和（）是计算 的主要参数，（）可通过 程序中的 模块处理评价核数据库得到。（）可由式（）导出：（）（）（，）（）式中：为 能量；为的最大值；是原子离位阈能；（）是离位损伤函数；（，）是第种元素的能量微分横截面，可由 处理评价核数据库得到。（）可由式（）推出：（）（）（）式中：为损伤能量，具体计算基于 模型。产生计算模型 产生主要是基于（，）和（，）反应。以热中子轰击 不锈钢的 产生反应为例。（）（）产生截面由式（）导出 （）式中：为 气体产生截面；为每个入射粒子产生的气体原子数量；为靶材料的原子密度；为靶的厚度。计算结果与讨论选取种典型的堆型、及 作为材料的辐照场景，各辐照场景参数如表所示。利用 模拟计算了一些常见元素和化合物在不同辐照场景下的原子离位产生速率（）、产生速率（），结果如表所示。表辐照场景参数 参数辐照场景 总中子注量率（）快中子注量率（）热中子注量率（）快热中子注量率之比 中子平均能量（）表辐照损伤计算结果 材料辐照场景 ，产生速率变化规律图为几种典型材料在不同辐照场景下的 产生速率变化规律，在 和 辐照场景下，各材料的 产生速率变化趋势相似，在低能区（的 产生速率最大，的产生速率最小；在能区（）内 的 产 生 速 率 最 小，在 能 区（大 于 ）各材料的 产生速率相差不大。在 辐照场景下，在能区（）内 的 产生速率最大，的 产生速率最小。在 辐照场景下，在能区（）内 的 产生 速 率最大，的 产生速率最小；在能区（大于 ）内各材料的 产生速率相差不大。因此 是比较好的耐中子辐照材料。产生速率变化规律图为几种典型材料在不同辐照场景下的 产生速率几种典型材料中子辐照损伤模拟计算廖哲等变化规律，各材料在不同辐照场景下的变化趋势相似，在能区（小于 ）内 的 产生速率最大；在能区（大于 ）内 的 产生速率最大；在能区（）内 的 产生速率最小；在能区（）内 的 产生速率最小；在能区（大于 ）内 的 产生速率最小。可见，和 的 产生速率较高，的 产生速率最小，是比较好的耐中子辐照材料。结论本 文 利 用 模 型，通 过 和 程序对几种典型材料的中子辐照损伤进行了研究，模拟计算了几种典型材料在不同辐照场景下的 和 （下转第 页）材料导报 年 月第 卷专辑 入射时，透射横波和纵波特性如图所示。图（）和（）为、，（）和（）为、时的透射系数随的变化。两种模式下透射特性基本相同，频率低于 时为横波入射的禁带，没有完全透射峰。相比而言，图（）和（）中透射曲线向左略有移动。结论本文分析了横向受限的一维固态声子晶体中不同传输模式满足的条件以及弹性波在其中传输时波型转换的规律；并得出了在不同模式下分别以纵波和横波入射时透射波的变化特点。参考文献 ，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸 （上接第 页）产生速率，对比分析了几种典型材料在不同辐照场景下的辐照损伤状况，证明 和 产生速率变化规律与辐照场景的中子能谱关系紧密，指出 是一种较好的耐中子辐照材料。参考文献郁金南材料辐照效应北京：化学工业出版社，：，：，：邹俊，黄群英，等聚变驱动次临界堆第一壁材料辐照损伤的初步研究核科学与工程，（）：，（）：，（）：，材料导报 年 月第 卷专辑