作为核电站整个设计周期中唯一不可替代的关键构件，核反应堆压力容器长期暴露于高温、高压和高能中子环境中，在其使用期间会发生辐照脆化等性能恶化现象，严重时将导致部件失效风险及爆炸性事故，直接威胁整个核电站的运行安全。服役初期，空位、间隙原子团簇聚集导致的位错环等是压力容器辐照脆化损伤的重要原因之一；服役中后期，高数量密度的纳米团簇是辐照脆化的另外一个主要原因，中子辐照引起的空位级联与杂质原子发生交互作用，扩散增强机制导致极其细小的纳米团簇形核长大，尺寸约为2-3 nm。由于辐照损伤随着服役时间的增加而不断积累，压力容器将发生严重硬化、韧脆转变温度降低等性能恶化现象，最终导致其脆化断裂失效。

（1）脉冲电流作用下辐照压力容器钢中的空位型缺陷、团簇型缺陷的数量降低了90%以上。

（2）与退火处理技术相比，脉冲电流修复技术使辐照损伤压力容器钢性能恢复95%以上。

（3）脉冲电流原位修复技术将为未来核反应堆关键构件修复工程提供研究基础及技术支持。

图1不同状态下RPV钢的纳米硬度与压痕深度的关系：（a）未辐照态；（b）辐照态；（c）脉冲态；（d）等效热处理态；（e）平均硬度与压痕深度的关系；（f）H²-1/h曲线（H：平均硬度；h：压痕深度）。

•       与未辐照的样品相比，辐照后纳米硬度增加了2.74GPa。脉冲电流处理后，辐照损伤材料的纳米硬度降低了2.56GPa，材料性能恢复了95%以上，而等效热处理样品的纳米硬度几乎没有下降。

   

图2 慢正电子束多普勒展宽结果：（a）S-E曲线；（b）作为正电子能量（深度）的函数；（c）W-E曲线；（d）作为正电子能量（深度）的函数；（e）W-S曲线；（f）S-W曲线（箭头表示正电子注入能量的增加）。

•        脉冲电流处理后，S、W参数的显著降低,说明样品内空位型缺陷与团簇型缺陷显著减 少；脉冲处理态样品的S-W曲线斜率基本接近于未辐照样品，说明损伤样品基本恢复至原始状态。

图3 TEM明场像：（a）辐照态；（c）脉冲处理态；TEM弱束暗场像：（b）辐照态；（d）脉冲处理态。矢量条件：（b）g=110；(d)g=110 。

图4 TEM弱束暗场像：（a-c）辐照态；（d-f）脉冲处理态。矢量条件: (a) g=-110; (b) g=110; (c) g=020; (d) g=-110; (e) g=200; (f) g=020。

• 辐照后样品内会产生大量辐照位错环，且在位错线上优先成核；脉冲处理后，辐照样品中产生的位错环与位错密度显著降低；同时，脉冲处理对样品内1/2<111>和<100>位错环的消除效果均非常显著。

   

图5 三维原子探针表征结果：（a）辐照态；（b）脉冲处理态。等浓度面为2%的溶质元素分布：（c）辐照态；（d）脉冲处理态。

图6 核壳结构团簇的三维原子探针表征结果：（a, b）辐照态；（c, d）脉冲处理态。

• 脉冲处理后辐照样品内团簇数密度减少了65%，且尺寸与体积分数均减小，且大部分Cu、Ni、Mn溶解于基体中。脉冲处理后，Cu的聚集程度从20%增至40%，而团簇周围的Ni、Mn聚集程度显著降低，这是团簇尺寸和体积分数减小的主要原因。

图7 脉冲电流作用下纳米团簇演化过程中电流分布变化：（a1, a2）初始状态；（b1, b2）合并状态；（c1, c2）溶解状态。

• 电场作用下，纳米团簇之间的通道处电流密度最高，将显著加速溶质元素交换，导致团簇间界面逐渐模糊，最终合并长大直至溶解。同时，随着纳米团簇的合并、长大和溶解，电自由能的变化逐渐减小，从热力学上验证了该过程的合理性。

图8 脉冲电流作用下位错环-纳米团簇复合缺陷演化和消除过程中电流分布的变化。

• 脉冲电流作用下位错环的优先湮灭，使位错环上的团簇变得孤立。由于团簇与基体之间由于电导率差异导致的高电流密度区域，基体中Cu和Fe的交换显著加速，使得团簇更快溶解，该演化过程中的电自由能变化进一步降低。

本文利用一种绿色高效的脉冲电流“原位”修复技术显著消除了压力容器钢中纳米级辐照缺陷（位错环、团簇），可使材料辐照损伤性能恢复95%以上。同时，本研究结合热力学计算证明了电场下相邻的纳米团簇有先合并长大再溶解的趋势，而位错环的优先湮灭也会促进缺乏成核质点的纳米团簇溶解过程。该技术对于核反应堆压力容器延寿有重大意义，未来还将进一步探索原子尺度下辐照损伤材料可修复的微结构适配准则，完善材料性能预测模型方程的修订，为未来真实核反应堆压力容器延寿工程应用提供研究基础及技术支持。

张新房

本文通讯作者 团队负责人

北京科技大学、内蒙古科技大学、鹿城实验室 教授

张新房，材料学专业，二级教授，博士生导师，毕业于中国科学院金属研究所，先后在日本大阪大学和英国帝国理工学院工作6年。曾任北京科技大学冶金与生态工程学院副院长，现任内蒙古科技大学党委委员、副校长，包头稀土新材料技术研发中心主任，鹿城实验室主任，包头市人才协会副会长，内蒙古自治区高校科技委副主任，内蒙古硅业学会理事长，任《Acta Metallurgica Sinica》 (English Letters)、《Scientific Reports》、《International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials》、《金属学报》、《中国冶金》期刊编委及中国金属学会电磁冶金与强磁场材料科学委员会委员。

入选中组部“万人计划”科技创新领军人才、“青年千人计划”、北京市优青、江苏省“双创人才”、JSPS Fellowship等。从事金属材料绿色低碳电磁冶金新技术研发二十多年，攻克了稀土钢等超洁净冶炼“卡脖子”难题（中国金属学会评价“国际领先”），提出了核反应堆关键构件服役延寿方案，开发了电磁场下压烧一体化新型闪速烧结平台，核心成果在“华龙一号”等重大工程转化，开发的耐蚀耐磨不锈钢服务于“两个稀土基地”建设，填补了自治区在稀土材料电磁冶金技术方面的空白。

先后承担50余项国防项目、重大项目等，累计经费9000余万元；获国家级教学成果二等奖1项，省部级科技奖励5项，入选教育部“全国高校黄大年式教师团队”。发表SCI论文150余篇，出版英文专著一部，软件著作权2项，授权发明专利37项（其中：美国专利2项、日本专利2项），作大会邀请报告50余次（大会报告keynote：20次；邀请报告invited：30次），发表会议论文20余篇。