核裂變和聚變反應堆中的結構材料必須承受高溫、中子輻照損傷和(n,α)嬗變反應產生的氦氣。氦(He)與輻射損傷的協同效應會導致結構材料的機械效能發生一定的退化，影響核反應堆的安全。氦氣在輻照材料中會導致低溫硬化、空腔膨脹和高溫晶界脆化，它們最終決定了大多數材料的工作溫度和服役時間限制。有人提出，透過增加He捕獲點的數量來控制氣泡大小或將He與晶界隔離，可以減輕這些負面影響。輻射誘發空位的誘捕可能性、間隙原子和He原子可以透過吸收強度進行量化，這一概念推動了奈米結構鐵素體合金(NFAs)的發展，該合金具有工程設計的高吸收強度微觀結構，例如透過傳統鍊鋼技術生產的含有碳化物或氮化物析出的可鑄態奈米結構合金(CNAs)，透過機械合金技術生產的氧化物分散強化(ODS)合金。多項研究表明，奈米級的分散體在長時間的高溫環境下是穩定的，可以增強機械效能，提高材料的抗輻射效能，並將大量氦隔離到小氣泡中(氣泡與分散體的附著)。然而，仍然缺乏系統的輻照資料顯示奈米顆粒的密度及其在鐵素體合金中的氨捕獲能力(結合能)如何影響高溫下的氦氣泡密度和尺寸。
美國田納西大學的研究人員透過掃描/透射顯微鏡觀察了Fe-9/10Cr合金和兩種彌散增強奈米合金(CNA3和14YWT)的氦泡形成。表明兩種奈米合金中的奈米粒子都能有效捕獲He。在奈米結構合金中，可以將氦隔離至更小的氣泡中(這導致更低的體積膨脹值，並保護氦不受晶界的影響)來控制非常高的氦濃度。相關論文以題為“Bubble formation in helium-implanted nanostructured ferritic alloys at elevated temperatures”發表在Acta Materialia。
論文連結：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117165
本文使用的合金分別為鐵素體合金Fe-9/10Cr(無奈米顆粒)、CNA3(奈米顆粒密度中等)和14YWT(奈米顆粒密度最高)，在所有溫度下，He注入材料的腔密度大致為Fe-9/10Cr＜CNA3＜14YWT，與奈米粒子密度直接對應，而空腔大小順序相反。
研究發現新增高密度奈米顆粒可能會將氦隔離到顆粒-基體介面上分散的小氣泡中(與傳統合金相比，體積膨脹更小)，並抑制氦向晶界擴散。考慮到奈米粒子密度和總初始吸收強度，當He濃度非常高(高於10000appm)時，奈米粒子密度較高(＞1022 m-3，對應的吸收強度＞1015 m-2)。無奈米顆粒Fe-9/10Cr合金中He的有效活化能隨溫度而變化，CNA3和14YWT奈米結構合金的相應活化能在500-900℃內幾乎恆定。這可能與奈米顆粒抑制奧斯特瓦爾德熟化有關，或者與奈米顆粒相連的氦氣泡結合能較高，可以抑制高溫下的氦解吸或遷移。
圖1 未輻照(a) Fe-10Cr，(b) CNA3和(c) 14YWT材料的TEM影象
圖2不同溫度下合金中氣泡的聚集影象
圖3 700℃時He在不同合金中氣泡分佈的截面TEM影象
發現CNA3中的MX碳化物和14YWT中的Y-Ti-O氧化物在高達900℃的溫度下對氨腔表現出高結合能(有益)。在700℃時，14YWT中的分佈最均勻，氣泡附著在Y-Ti-O氧化物上表現出明顯的一一對應關係，而CNA3中的MX碳化物奈米顆粒附著約3-10個小He氣泡。這種差異歸因於顆粒大小(表面積)和密度(顆粒間距離)的差異。
圖4(a)晶界開裂；(b) 900℃下輻照Fe-10Cr中出現的大空洞/氣泡；(c)600℃下He注入Fe-10Cr中晶界處出現空洞；(d)750℃和(e)900℃連續退火
圖5 不同合金奈米顆粒或晶界的STEM-HAADF影象
本文研究了含不同奈米顆粒密度的鐵素體合金中高溫空腔的形成以及He吸收機理。在600℃以下，CNA3的空腔密度與Fe-9/10Cr合金相比沒有明顯的差異，而在高溫下與Fe-9/10Cr合金相比，CNA3空腔密度的溫度依賴性較弱。在所有研究的溫度(500-900℃)下，14YWT合金將氦隔離成精細分散的小氣泡，氣泡密度和大小几乎不依賴溫度。本文為輻照材料的設計和研究提供了理論基礎。（文：破風）
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