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摘要
钚是一种应用广泛的核材料。作为放射性元素,钚会自发衰变成铀核,同时产生α粒子(氦核),高速运动的衰变产物在晶格中激发离位,产生缺陷。由于最外层是满电子结构,氦难溶于金属。因此,钚持续自发衰变会在材料中累积大量的晶格损伤;同时由衰变产生的氦会在金属基体中与空位相结合,通过位错与晶界扩散,在基体中聚集、形核、长大,形成氦泡。含氦量的增加会使氦泡生长,但并不是无限制地长大;当氦含量很高时,氦泡会破裂,引起材料表面剥落;一定程度上,材料本身的性质决定了氦泡最后的大小。宏观上,氦的存在会使材料发生体积变化、延展性降低、脆性变大等物理老化现象,从而降低钚的使用性能、缩短其寿命。理解氦原子对钚结构性能的影响机制,探寻相应的抑制氦脆和氦损伤的有效措施,对钚材料老化效应的预测和评价具有重要的意义。目前,研究钚中的氦行为主要集中在实验和模拟两个方面。由于原材料本身的放射性和毒性,研究人员大多使用晶体结构、最外层电子结构或是某些力学性能与钚一致的模拟材料进行实验。研究发现,微观结构和成分的优化是调控钚抗老化的重要手段。通常,微观结构的变化中主要考察晶界和位错对材料中氦行为的影响,而成分的优化则是通过添加合金元素或改变相来进行研究。鉴于此,本文就氦对钚材料体积、电阻率、力学性能的影响,以及氦在钚中的微观行为进行了综述,比较了不同方法在钚中氦行为研究方面的适用性,指出了进一步构建氦的微观状态与宏观性能之间对应关系的必要性以及可能的研究方向。
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