聚變材料體心立方金屬輻照損傷缺陷演化動力學模擬

《聚變材料體心立方金屬輻照損傷缺陷演化動力學模擬》是依託西南交通大學，由潘敏擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：聚變材料體心立方金屬輻照損傷缺陷演化動力學模擬
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：潘敏
• 依託單位：西南交通大學

項目摘要

研究聚變環境下中子輻照引發的材料中各種物理過程和微觀機理是未來核聚變能實現的重要環節之一。本項目採用分子動力學計算方法，系統研究高能粒子輻照對面向電漿材料W和結構材料Fe的輻照缺陷損傷效應。課題將對體心立方金屬W及Fe中“空位-間隙”形成的缺陷生長過程進行模擬計算，對空位團/間隙位錯的準平衡態發展演化過程以及缺陷壽命等相關機理分析研究；同時還將對材料離位損傷缺陷與H/He雜質的相互作用進行討論，研究雜質對材料缺陷穩定性的影響及規律。本研究為聚變材料的選擇設計提供重要的理論參考依據。

結題摘要

對聚變用第一壁材料中子輻照引發的缺陷微觀結構演化進行第一性原理結合分子動力學模擬計算研究。對輻照作用下可遷移空位團/間隙原子團的準平衡態演化過程機理以及W合金與缺陷相互作用等進行研究。主要包括：輻照作用下材料離位損傷產生演化過程動力學計算。套用分子動力學結合第一性原理計算方法模擬輻照作用下體心立方W中產生的晶體點缺陷產生形成過程，離位閾能的計算、間隙原子結構穩定性的系統討論。對與<111>間隙構型非常接近的<11h>構型存在性作出物理機理解釋。高溫退火過程中點缺陷的複合、擴散動力學研究。包括對Frenkel缺陷對的形成和遷移複合計算，複合區域及擴散係數的溫度效應，為點缺陷複合機制完成前期基礎。發現111型間隙原子與空位的複合區域為一個空間橢球，且該橢球半徑隨反應溫度升高而增加。 計算鎢拉伸彈性形變、塑性形變、強化形變和斷裂等四個階段。得到楊氏模量、屈服應變和屈服應力。塑性形變時生成的FCC和HCP結構的能量高於BCC結構，並使系統保持較低的應力水平。在塑性形變後期，長程有序周期結構孿生帶的生長，使系統應力呈周期性振盪變化。在強化相持形變階段，鑲嵌在孿生帶HCP結構中的其它無序結構在應力作用下生長，產生孔洞產生並吸收能量，使系統晶格斷裂。 W基合金元素對空位缺陷遷移影響研究。考查合金元素對空位、間隙的作用機制。發現合金元素對空位的遷移均表現為較有利的作用，其中Zr合金元素對空位的影響較為明顯，遷移閾能僅為0.859eV。通過有效體積的方式解釋空位遷閾能，且發現Ta的濃度增加對空位表現更為有利的作用。W合金中間隙結構穩定性。通過啞鈴對形成能發現，Re、Zr作為間隙原子時具有<110>啞鈴對穩定結構，而Ta、Hf、Mo、Nb作為間隙結構時<111>啞鈴對具有更加穩定結構。Re更加有助於自間隙結構遷移，Hf有助於Hf-W啞鈴對遷移。結論為探索輻照缺陷產生機理、提高W基合金抗輻照性能提供理論基礎，為未來我國聚變材料設計及性能評價指標做出參考。