鎢輻照損傷的原子尺度模擬研究.pdf

1、核聚變能是人類最理想的能源之一，只要實現(xiàn)了核聚變能的可控釋放，人類便可以一勞永逸地解決能源問題。因此，核聚變堆材料的選擇尤為重要。核聚變堆中的面向等離子體材料處于高能中子強烈的輻照之下，輻照損傷是其失效最主要的原因。經(jīng)過長時間的積累和演化，輻照誘發(fā)點缺陷會導致材料的宏觀性能的變化和材料的力學性能的退化，最終使材料失效。由于鎢優(yōu)良的性能，鎢被認為是未來核聚變堆中面向等離子體材料和偏濾器材料最有前途的候選材料；鎢中的晶界會與輻照誘發(fā)點缺陷發(fā)

2、生作用。因此，細致研究鎢中晶界與輻照誘發(fā)缺陷相互作用演化機制，對于清晰認識晶界的作用，調(diào)控晶粒尺寸和取向來提高鎢材料抗輻照損傷性能和行為有重要作用。
　　本文用到了兩種原子尺度的模擬方法：分子動力學方法和自演化原子動力學蒙特卡羅方法。針對輻照損傷的特點，對分子動力學方法進行調(diào)整，用調(diào)整后的分子動力學方法研究鎢中晶界與輻照誘發(fā)點缺陷的相互作用，并探討晶界參數(shù)對材料抗輻照性能的影響；利用自演化原子動力學蒙特卡羅方法研究鎢中輻照誘發(fā)點缺

3、陷的與擴散相關的問題。
　　本文以體心立方結構鎢中的6組對稱傾斜晶界為對象，初級碰撞原子的能量為3和5keV，模擬溫度為300K。在研究鎢中晶界與輻照誘發(fā)點缺陷的相互作用時，我們設計了計算模擬方案。借助可視化和定量計算點缺陷數(shù)目分布的方法，給出晶界與輻照誘發(fā)點缺陷相互作用的原子演化圖像。研究結果表明：與空位相比，晶界對間隙原子具有偏置吸收作用。表現(xiàn)出隨初級碰撞原子（Primary Knock-on Atom, PKA）距晶界中心距

4、離的增加，存留的空位數(shù)有增加趨勢；而間隙原子數(shù)量變化不大，且小于單晶的間隙原子數(shù)量；晶粒內(nèi)部存留的空位數(shù)始終多于間隙原子數(shù)。在整個級聯(lián)碰撞過程-彈道相階段、復合階段和穩(wěn)定階段，點缺陷數(shù)量先增加后減少最后趨于穩(wěn)定，點缺陷數(shù)的減少發(fā)生在復合階段，有兩種主要機制在共同起作用：空位與間隙原子復合及間隙原子向晶界擴散。晶界區(qū)域與級聯(lián)峰值缺陷區(qū)重疊的比率越大，最終晶粒內(nèi)部存留的點缺陷數(shù)相對較少；而當兩者幾乎不重疊時，隨著距晶界距離的增加，存留的空位

5、數(shù)總體上呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，且隨著 PKA能量的增大，空位密集區(qū)有前移（向晶界靠近）的趨勢；而間隙原子分布比較均勻，受PKA能量的影響遠小于空位的情景。通過模擬點缺陷的擴散，我們得到鎢中單空位的擴散常數(shù)為4.37?10-7m2/s，遷移能為1.45eV；自間隙原子的擴散常數(shù)為1.07?10-7m2/s，遷移能為0.015eV?？梢?，自間隙原子的遷移能非常小，且比單空位的遷移能小得多，可以用來進一步理解晶界與輻照誘發(fā)點缺陷相互作用結果