聚變堆結構材料中氦原子等雜質效應的第一性原理研究.pdf

1、博士學位論文聚變堆結構材料中氦原子等雜質效應的第一性原理研究FirstprincipIesstudyofHeimpurityeffectsonstructuralmaterialsforfusionreactors學號：11202013答辯日期：2016年6月14日大連理工大學DalianUniversityofTechnology大連理工大學博士學位論文摘要核聚變能因為清潔無污染，反應可控，原料儲量豐富等優(yōu)點被認為是解決人類未來能源危

2、機問題的終極方案。在聚變反應堆的極端環(huán)境下，第一壁結構材料需要長期承受高溫、以及高通量的高能(14MeV)中子輻照。特殊的工作環(huán)境要求結構材料必須具有優(yōu)良的熱力學性能、低活化特性、抗中子輻照等。中子輻照使得結構材料內產生大量的空位缺陷以及雜質氫、氦原子。空位缺陷與雜質原子相結合，隨著時間的推移長大形成氫泡、氦泡，導致結構材料的腫脹和脆化，使得材料的機械性能明顯降低。本論文采用基于密度泛函理論和平面波贗勢法的第一性原理計算方法，在原子尺度

3、上研究了三種聚變堆候選結構材料(低活化鋼、釩合金和碳化硅復合材料)中氦原子等雜質的行為，例如空位對氦原子的捕獲機制以及合金元素效應等，希望所獲得的理論結果能為理解輻照初期雜質原子的影響提供一些有效的幫助。碳化硅(sic)復合材料由于具有良好的高溫強度、耐腐蝕等特性而被考慮作為聚變堆結構材料的候選材料之一。為了研究6H—SiC晶體中氦空位團簇(H％v，)的穩(wěn)定性以及氦泡形成的微觀機制，本論文計算了缺陷缺陷之間的結合能，分別考察了HeVm團

4、簇與雜質氦原子、單空位之問的相互作用。發(fā)現(xiàn)HeV。團簇與雜質氦原子和單空位之間均存在吸引作用，與氦原子相比，He。V。團簇與空位的吸引作用更強。同時研究了He／V。率變化時對He。Vm團簇與氦原子、空位結合能的影響。為了研究6HSiC晶體中的空位缺陷對氦原子的捕獲能力，分別計算了不同數(shù)量的氦原子被7原子小空洞捕獲時的捕獲能，發(fā)現(xiàn)7原子小空洞最多可以捕獲13個氦原子。同時，為了考察捕獲大量的氦原子后導致結構材料內內壓的變化，我們提取了捕獲

5、不能數(shù)量氦原子時結構材料的內壓，發(fā)現(xiàn)捕獲13個氦原子后，6HSiC晶體內的內壓高達25GPa，與實驗值08GPa相當。釩合金具有優(yōu)良的高溫強度、低中子輻照活化、抗輻照腫脹和抗高溫蠕變等特性，被認為是未來聚變反應堆第一壁結構材料的主要候選材料之一。目前，大量的研究工作主要關注氦原子與小尺寸空位缺陷之間的相互作用，而在真實的材料中，空位缺陷的直徑達納米量級。為了研究不同尺寸空位缺陷對氦原子的捕獲能力，采用原子尺度模擬方法，考察了中子輻照初期