《鎢輻照後氫滯留機理及合金元素對其影響的模擬研究》是依託中國科學院合肥物質科學研究院，由孔祥山擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：鎢輻照後氫滯留機理及合金元素對其影響的模擬研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：孔祥山
- 依託單位：中國科學院合肥物質科學研究院
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
低氫滯留是面向電漿材料（PFM）的必要條件。鎢因具有低氫滯留及低物理濺射率、高熔點等優點而成為最有前景的PFM。在苛刻的聚變堆服役環境下（高能中子輻照和高通量電漿轟擊），輻照產生的大量缺陷可作為氫的捕獲點，致使鎢中氫滯留量升高，威脅聚變堆的安全運行。近期實驗表明鎢輻照後氫滯留量顯著升高，且與輻照劑量、溫度和合金元素密切相關。然而，鎢輻照後氫滯留機制及溫度和合金對其影響的機理仍不清楚。因此，本項目擬採用基於第一性原理的實體動力學蒙特卡洛方法，模擬鎢中輻照缺陷（空位及其團簇、間隙及其團簇等）、合金元素（Re、Ta、Ti和V）與氫在大體系中（微米）長時間（小時）協同演化行為，獲得三者作用規律和演化機制，揭示輻照缺陷和合金元素對氫滯留的影響機理及其對溫度的依賴關係，期望為鎢合金成分的最佳化設計及評估和抑制實際聚變堆服役環境下鎢中氫滯留量提供指導。
結題摘要
低氫滯留是面向電漿材料（PFM）的必要條件。在苛刻的聚變堆服役環境下（高能中子輻照和高通量電漿轟擊），輻照產生的大量缺陷可作為氫的捕獲點，致使鎢中氫滯留量升高，威脅聚變堆的安全運行。近期實驗表明鎢輻照後氫滯留量顯著升高，且與輻照劑量、溫度和合金元素密切相關。因此，本項目採用基於第一性原理的實體動力學蒙特卡洛方法研究輻照缺陷和合金元素對氫滯留的影響，所取得的主要結果如下：（1）建立了氫、空位（團簇）以及合金元素缺陷間相互作用參數庫（結合強度、作用範圍、擴散機制和激活能等），基於該資料庫對缺陷間作用機制進行分析，發現了：①合金元素金屬半徑和電負性可作為相關缺陷間作用強弱的標度量。合金元素一方面能通過促進輻照缺陷複合降低鎢輻照後氫滯留量，另一方面通過自身捕獲氫提高鎢中氫滯留，定性解釋了鎢-錸、鎢-鉭合金中不同輻照條件下氫滯留實驗結果間的差異。並從氫滯留、合金元素相析出以及嬗變效應的角度考慮，我們認為鉭是綜合性能較好的合金元素。②提出了間隙氫自團簇機制，並基於該機制預測了鎢中氫泡成核的臨界氫濃度，為近十年來長期困惑的低能氫轟擊下鎢中氫泡形成現象提供了定量解釋。③建立了一個通用的物理模型來預測納米孔洞中氫的能量、結構、以及氫壓。以該模型為基礎的多尺度模擬結果與近年來的熱脫附實驗結果高度吻合。闡明了主導納米孔洞對氫俘獲行為的本質物理規律，給出了氫在納米孔洞中俘獲的多尺度預測模型，為理解氫致金屬材料損傷提供了尋求已久的關鍵性信息。（2）開發了一套適用於模擬鎢中氫滯留行為的動力學蒙特卡洛程式，目前該程式軟體著作權正在申請中。該模擬程式通過多種加速算法實現了在微米級空間尺度和小時級時間尺度上對材料中缺陷演化的模擬，並利用該軟體對缺陷的俘獲強度和氫離子輻照後鎢中氫脫附行為，有助於對氫在缺陷處俘獲、聚集，成泡、長大等現象的定量理解。
