鎢納米絲中氦泡的形核與釋放機理研究

《鎢納米絲中氦泡的形核與釋放機理研究》是依託湖南大學，由鄧輝球擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：鎢納米絲中氦泡的形核與釋放機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：鄧輝球
• 依託單位：湖南大學

中文摘要

當今能源危機日益嚴峻，核聚變能的研究越來越受到人們的重視。鎢以高熔點、低濺射刻蝕率和低氚滯留等優良特性而被視為未來聚變反應堆中最可能全面使用的面向電漿材料(PFM)。實驗發現低能氦等離子的輻照將誘導鎢表面形成納米絲狀結構，其中含有納米級的氦泡。鎢表面納米絲狀化將改變鎢PFM表面的物理和化學性質，可能嚴重影響未來聚變反應堆的安全穩定運行，因此關於鎢納米絲狀結構的形成機理及其對PFM性能的影響是人們十分關心的課題。本項目將以鎢納米絲模型為研究對象，構造高精度的原子間相互作用勢函式,改進和發展新的動力學蒙特卡洛模擬方法，系統研究鎢納米絲中氦原子的擴散特性、氦團簇的形核機理、氦泡的融合長大過程以及氦的釋放行為，探討氦對鎢納米絲微觀結構的影響，以及鎢納米絲形成、回縮或消失的微觀機理。本申請項目對進一步最佳化鎢PFM的微觀結構，提出減弱甚至抑制鎢基材料表面納米化的有效對策等方面具有重要指導作用。

結題摘要

因為具有高熔點、低濺射刻蝕率和低氚滯留等優良特性，鎢基壁材料被視為未來聚變反應堆中最可能全面使用的面向電漿材料(PFM)。低能高束流氦電漿在鎢表面輻照誘導形成納米絲狀結構，將改變鎢PFM表面的物理和化學性質，可能嚴重影響聚變反應堆的安全穩定運行，因此相關研究工作具有十分重要的意義。（1）在本項目中，我們先使用密度泛函理論方法研究了惰性氣體原子（He、Ne和Ar）及其團簇在金屬鎢塊體中的占位和擴散等特性，在此基礎上套用s-band模型自主構建和最佳化得到了高精度的W-He/Ne/Ar原子間相互作用勢函式。（2）基於新構建的W-He/Ne/Ar勢函式，套用分子動力學方法系統研究了鎢塊體材料中He/Ne/Ar原子的擴散和形核過程，發現在W塊體中，Ne/Ar原子具有比He原子更大的擴散勢壘和更小的擴散係數，更小的Ne/Ar團簇就可使W發射自間隙原子而自己被釘扎。（3）研究發現在W塊體中形成的Ne/Ar團簇或泡尺寸更小，不能激發位錯環的發射；而He原子在W中卻極易擴散遷移（擴散勢壘僅為0.06eV），容易形成較大的氦泡，並發射1/2<111>間隙型位錯環，在W表面形成凸起堆垛，這可能是He電漿輻照能夠而Ne/Ar不能夠使W表面出現納米絲結構Fuzz的原因之一。(4) 研究了W納米絲狀結構中He原子擴散、He團簇形核、He泡長大、位錯環發射以及He原子的釋放和滯留特性，發現絕大部分的He原子是從W納米絲側面釋放出來，這很大程度上降低了He在W絲中的殘留量；近表面的氦團簇尺寸大到一定程度後會通過一條可以自癒合的通道釋放出來He原子，從而減少He團簇內的He原子數量，這可以解釋最近發現的鎢納米孔道材料抗輻照能力增強的實驗結果。（5）我們也構建了Fe-He/Mo-He/V-He/Ni-He/W-Re/W-Os等一系列核材料領域的勢函式，用於研究核材料的輻照損傷和氦效應，豐富了計算模擬勢函式資料庫，促進了相關研究工作的發展。