全书共分10章，主要内容包括核材料(包括核燃料和结构材料)辐照效应的基本理论和基本
知识：核材料中辐照缺陷的产生过程：微观结构缺陷的演化及其与结构稳定性、力学性能、物理性能间的关系：核材料辐照行为的基本规律和现象：并介绍辐照效应研究的最新进展和理论模型研究。以期望读者掌握辐照效应的基本概念和基本理论，以理解和推断材料在辐照下的行为，提高解决工程中实际问题的能力。
本书是核材料科学与反应堆工程学科研究生的学科基础课，也可作为核燃料循环学科、先进能源靶物理研究生的选修课。同时本书也可供从事材料辐照改性、电子元器件辐射加固以及离子注入材料辐照损伤的本科生、硕士研究生选修。 |
在庆贺李恒德先生八十寿辰之际，倡议撰写一套《核材料科学与工程》系列图书，以实现李恒德先生的意愿。我受命编写其中之一的《材料辐照效应》，作为李恒德先生的学生，是应尽的义务。可是真正动笔之时，方知写书之艰辛，迟迟未曾启动。直到2005年年底，在李恒德先生和白新德教授的鼓励和督促下，才启动编写，这时才稍稍领悟到李恒德先生教学、科研生涯的艰辛和伟大。
由于时间的匆促，就在李恒德先生等译的《反应堆燃料元件的基本问题》，李文治教授编写的《辐照效应》 (固体中原子碰撞部分)和周邦新院士等译的《材料科学与技术丛书的核材料I和Ⅱ》等书的基础上，结合这几年的教学情况编写了《材料辐照效应》。
本书第l章介绍了材料辐照效应发展的历史、所研究的领域及承担的任务。第2章到第4章介绍了碰撞的基本理论和在固体中产生缺陷的过程，这是计算损伤剂量的基础，也是开展分子动力学模拟研究的必要知识。第5章介绍了各种辐照粒子产生辐照损伤的特性和相应的计算损伤剂量的方法，为研究生在工作中具体应用提供基础。第6章介绍了原始辐照缺陷的退火、聚集和演化的基本机制和相应的计算方法，对缺陷的复合率、扩散率，空位和间隙原子的速率方程组，空位团、间隙原子团的形核和生长过程，空洞(或气泡)长大方程，间隙位错圈的长大方程等都进行了具体介绍，特别是气泡(或气孔)的迁移、聚合和辐照重溶以及位错、晶界对气泡(或气孔)的钉扎，这些都将会在辐照样品的微观观察分析中得到具体应用。第7章介绍了金属核燃料和氧化物燃料的辐照行为，重点介绍氧化物燃料的辐照行为，特别是氧、锕系元素的重布以及裂变产物的迁移在燃料元件的安全中有着重要作用，也是芯块与包壳相互作用(PCI效应)中的重要因素。PCI的机制已趋成熟，可是本章未加展开，留待以后增补。第8章介绍了金属材料的辐照硬化、脆化和断裂的机制，这是核材料研究生必备的基本知识，在此基础上要加强对铁素体／马氏体钢的辐照硬化、脆化和断裂机制的研究。第9章介绍了辐照生长和蠕变的基本机制，在实际中有很多具体应用。而辐照疲劳是一门新兴的课题，正在发展之中，本章只介绍一些基本知识，留待研究生去探索。最后一章探索了聚变堆发展中的材料问题，这里仅限于包层的结构材料问题，它经受着最严重的辐照，必须研究材料的辐照效应。因此从试验方法到实验数据的分析应用都是崭新的课题，这章仅做了一些最基本的介绍。在材料辐照效应教学过程中，了解到研究生来自于不同的专业，因此书中数学演算过程不得不稍详细一些，便于理解。近年来，材料辐照效应的研究，无论是实验研究还是计算机模拟实验研究都得到了长足的发展，特别是计算机的发展，提供了分子动力学模拟从碰撞过程直接产生的原始缺陷到缺陷退火、聚集和演化过程，以及相互连接，从深层次地揭示辐照产生缺陷和它的发展机制；在应力下模拟从位错源处不断产生位错，随后运动、缠结、堆积、相互作用到滑移带的出现，可以与实验直接比较，揭示了应力下塑性变形、硬化到断裂的发展机制。在实验方面，结合聚变堆材料的氢、氦与碰撞级联的协同作用，在材料的辐照脆性和力学性能的变化上积累了大量数据，正在揭示在低活性钢、钒合金和SiCf／SiC复合材料中嬗变的氢、氦对辐照脆性的作用；在辐照疲劳上有了相当多的数据，正需要归纳分析以期获得清晰的物理机制；这些资料相当丰富，由于时间有限，无法一一收录和归结到本书中，以供读者进一步开展研究之用。因此这本书仅作抛砖引玉之用。
本书编写过程中得到张品源研究员、贺新福和屈哲吴在计算机图形扫描、打字和技术上的支持和帮助，特别是褚凤敏博士、副研究员对本书的前5章进行了仔细的校对，梁雪元工程师对第7章做了重要的校5E32作，特此表示感谢。同时在编写过程中得到家人的支持、帮助和理解，否则是难以完成这次编写工作的。
编 者
2007年1月
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第1章 绪论
1．1 材料辐照效应的发展历史和概况
1．2 粒子辐照在固体中形成辐照缺陷的基本过程及其作用
1．3 辐照效应研究的领域和任务
参考文献
第2章 经典散射理论
2．1 二体碰撞
2．1．1 质心系
2．1．2 基本方程、能量传递公式
2．1，3 正碰撞的性质
2．2 原子间作用势
2．2．1 原子间相互作用势的一般描述(Bohr势、Born—
Mayer势)
2．2．2 Thomas-Fermi势
2．2．3 Hartree自洽势
2．2．4 镶嵌原子势
2．2，5 等效刚球势
2．3 碰撞截面
2．3．1 微分截面和能量传递微分截面
2．3．2 库仑势的微分截面
2．3．3 刚球散射的能量传递微分截面
2，3．4 碰撞的冲量近似法
2．3．5 Thomas-Fermi势约化微分截面
参考文献
第3章 运动粒子的慢化和射程
3．1 运动粒子在固体内的慢化
3．1. 1 核阻止本领和阻止截面
3．1．2 电子阻止本领
3．2 入射粒子在固体内的射程
3．2．1 入射粒子在固体内的射程
3．2．2 射程矢量和基本方程
3．2．3 平均投影射程和射程歧离
3．3 射程、射程投影的标准偏差
3．3，1 标准偏差
3．3，2 粒子沿深度的浓度分布
参考文献
第4章 辐照缺陷的产生过程
4．1 基本概念
4．1．1 离位原子和初级离位原子
4．1. 2 离位阈能和离位概率
4．2 初级离位原子在级联中产生的离位原子数
4．2．1 Kinchin—Pease模型
4．2．2 Snyder的修正模型
4．2．3 出射概率模型
4．2．4 改进性模型
4．2．5 能量配分理论——Lindhard计算模型
4．2．6 Sigmund离位处理
4．3 相关碰撞列
4．3．1 聚焦碰撞和辅助聚焦
4．3．2 聚焦换位碰撞——原子的长程传输
4．3．3 碰撞列和贫原子区的空位份额
4．3．4 沟道效应
4．3．5 聚焦和沟道对离位原子数·的影响
4．4 辐照损伤峰
4．4．1 离位峰
4．4．2 热峰
4．4．3 裂变峰
4．5 MD计算机模拟
4．5．1 级联碰撞与子级联
4．5．2 离位峰—MD计算机模拟
4．6 离位峰中的原子混合
4．7 离位峰中的相变
参考文献
第5章 辐照损伤计算
5．1 损伤速率和损伤剂量
5．1．1 初级离位原子(PKA)的能量分布函数
5．1．2 离位原子密度和损伤剂量(DPA)
5．2 中性粒子的辐照损伤
5．2．1 中子散射微分截面
5．2．2 初级离位原子的能量分布
5．2．3 中子辐照下的离位原子浓度和损伤分布
5．2．4 损伤函数
5．2．5 丁射线引起的辐照损伤
5．3 带电粒子的辐照损伤
5．3．1 带电粒子产生的PKA的能量分布和损伤
5．3．2 重离子辐照损伤的分布
5．3．3 电子辐照损伤
5．3．4 裂变碎片辐照损伤
5．4 表面损伤
5．4．1 溅射机制和模型
5．4．2 溅射产额和择优溅射
5．4．3 Sigmund溅射理论
参考文献
第6章 辐照缺陷的退火、聚集和肿胀
6．1 高温离位级联缺陷的存活和逸出
6．2 缺陷的相互作用导致辐照诱发的显微组织变化
6．3 缺陷的复合、扩散
6．3．1 空位和间隙原子的复合率
6．3．2 点缺陷之间以及与其他缺陷的反应
6．3．3 原子和原子尺寸的缺陷的反应
6．3．4 运动的点缺陷与位错的反应
6．3．5 扩散—限制的反应
6．4 缺陷的动力学过程、速率方程组
6．5 空位团、间隙原子团的形核和生长过程
6．5．1 空位团、间隙原子团的形核
6．5．2 空洞(或气泡)和间隙原子位错环的长大方程式
6．6 气泡(或气孔)的重溶
6．7 气泡(或气孔)的迁移和聚合
6．7．1 表面扩散引起的气泡迁移
6．7．2 气泡迁移率的一般处理
6．7．3 体扩散引起的气泡迁移
6．7．4 应力梯度下的气泡迁移
6．7．5 气泡聚合的速率常数
6．7．6 聚合造成的气泡长大
6．8 位错和晶界对气泡(或气孔)的钉扎
参考文献
第7章 金属核燃料和氧化物燃料的辐照行为
7．1 金属核燃料的辐照行为
7．1．1 金属铀的辐照行为
7．1 2 尺寸不稳定性
7．1．3 辐照下铀的长大机制
7．1．4 铀的肿胀
7．1．5 辐照对铀的组织及力学性能的影响
7．1．6 铀合金
7．1．7 钍、钍铀和钍钚合金
7．1．8 钚和钚合金
7．2 氧化物燃料的辐照密实、肿胀和裂变气体释放
7. 2．1 气孔和气泡的物理特性、辐照密实
7．2．2 气泡和气孔的分布函数、辐照肿胀
7．2．3 气孔链和通道的分布函数
7．2．4 稳态运行的裂变气体释放率
7．2．5 裂变气体瞬时释放
7．3 气孔迁移和重构动力学
7．3．1 由蒸气输运机制引起的气孑L迁移
7．3．2 气孔率重布动力学
7．3．3 柱状晶粒长大
7．3．4 等轴晶粒长大
7．4 氧的重布
7．4．1 Markin-Rand-Roberts模型
7．4．2 Aitken模型
7．4．3 BoberSchumacher模型
7．5 锕系元素的重布(MOX燃料运行中U、Pu的重新
分布)
7．5．1 锕系元素的热扩散
7．5．2 锕系元素的蒸气输运
7．6 裂变产物的迁移
7．7 芯块与包壳间的相互作用(PCI效应)
7．7．1 芯体—Zr合金包壳相互作用
7．7．2 芯体—不锈钢包壳相互作用
参考文献
第8章 辐照硬化、脆化和断裂
8. l 钢的微观组织在中子辐照下的演变
8．1．1 黑斑结构
8．1．2 位错环
8．1．3 层错四面体
8．1．4 空洞
8．1．5 碳化物沉淀物
8．1．6 氦气泡
8．2 力学性质试验
8．2．1 拉伸试验
8．2．2 管子爆破试验——双向应力状态
8．2．3 冲击试验和转变温度
8．3 辐照硬化理论
8．3．1 源硬化
8．3．2 摩擦硬化
8．4 贫原子区引起的硬化
8．4. 1 位错与贫原子区的作用
8．4．2 辐照硬化的饱和
8．4．3 Makin理论
8．4．4 贫原子区的热退火
8．5 非穿透性障碍物——沉淀物和空洞硬化
8．6 位错环硬化
8．7 辐照后奥氏体不锈钢的拉伸性能
8．7．1 辐照硬化
8．7．2 低剂量区的辐照硬化
8．7．3 高剂量区的辐照硬化
8．7．4 塑性失稳
8．7．5 位错沟道
8．8 蠕变断裂
8．8．1 高温断裂机制
8．8．2 楔形裂纹的形成和作用
8．8．3 晶界空洞引起的断裂机制
8．9 氦脆化
8．9．1 氦脆的机制
8．9．2 氦的生成速率
8．9．3 氦脆的理论表达——晶界上氦泡的应力诱导长大
8．10 奥氏体不锈钢辐照脆化和铁素体钢断裂韧性
8．11 铁素体钢的辐照硬化和脆化
8．11．1 铁素体钢辐照下力学性能表现特征
8．11. 2 脆性断裂——Conrell—Petch理论
参考文献
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| 本书是核材料科学与反应堆工程学科研究生的学科基础课，也可作为核燃料循环学科、先进能源靶物理研究生的选修课。同时本书也可供从事材料辐照改性、电子元器件辐射加固以及离子注入材料辐照损伤的本科生、硕士研究生选修。 | |
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