液態(tài)PbBi合金中氧濃度的調(diào)控及對(duì)包層材料腐蝕的理論研究.pdf

1、核裂變反應(yīng)堆運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)壽命、高放射性的核廢料，而核廢料的處理對(duì)人類(lèi)是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。隨著加速器和反應(yīng)堆技術(shù)的發(fā)展，人們提出了一種新的處理核廢料的策略:加速器驅(qū)動(dòng)的次臨界系統(tǒng)(ADS)。它的核心是利用加速器產(chǎn)生高能強(qiáng)流質(zhì)子束，轟擊重金屬靶材（如鉛、鉛鉍合金）產(chǎn)生散裂中子作為外源中子驅(qū)動(dòng)，對(duì)核廢料進(jìn)行次臨界核反應(yīng)。鉛鉍合金具有非常多的優(yōu)良特性，如熔點(diǎn)低、沸點(diǎn)高、導(dǎo)熱性能好、中子性能好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，是鉛冷式快堆和加速器驅(qū)動(dòng)的次臨界系統(tǒng)

2、中冷卻劑和散裂靶材的候選材料。但是鉛鉍合金對(duì)它的包層材料（如鋼）具有嚴(yán)重的溶解腐蝕作用，因此如何提高包層材料的抗腐蝕性能在ADS的發(fā)展中是至關(guān)重要的科學(xué)問(wèn)題。研究發(fā)現(xiàn)在鉛鉍合金中加入合適濃度的O后，能夠在很大程度上降低包層材料的溶解腐蝕。這是因?yàn)榧尤氲难鯐?huì)與包層材料反應(yīng)表面形成了穩(wěn)定的氧化物薄膜將鋼與液態(tài)鉛鉍合金隔開(kāi)。這種保護(hù)性的氧化層對(duì)合金中氧的濃度非常敏感。當(dāng)合金中O濃度較低，包層材料表面無(wú)法形成保護(hù)性的氧化膜，濃度太高時(shí)，包層材料

3、表面出現(xiàn)氧化腐蝕現(xiàn)象。岡此，鉛鉍合金中的O濃度需要進(jìn)行精確地測(cè)量和控制，而目前，這個(gè)問(wèn)題依然沒(méi)有得到很好的解決。本文從原子尺度上研究鉛鉍合金中O濃度的控制以及鉛鉍合金對(duì)氧化層性能的影響。此外，我們還使用團(tuán)簇動(dòng)力學(xué)方法研究面向等離子體材料W表面在離子輻照條件下的缺陷演化行為。
　　本論文一共分為六章。在第一章中，我們將介紹鉛鉍合金的微觀結(jié)構(gòu)、O濃度的控制方法、包層材料表面形成氧化層的結(jié)構(gòu)，最后我們介紹幾種在核材料研究中使用到的多尺度

4、模擬方法。
　　在我們的研究中，需要對(duì)原子的短程有序性進(jìn)行分析，因此，在第二章中，我們首先介紹分子動(dòng)力學(xué)和徑向分布函數(shù)的計(jì)算。這一章還將對(duì)團(tuán)簇動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行介紹。在團(tuán)簇動(dòng)力學(xué)的計(jì)算中，我們引入了一些新的參數(shù)，如晶界、溫度梯度等，相應(yīng)的計(jì)算細(xì)節(jié)和我們對(duì)該方法的發(fā)展也將在本章中做詳細(xì)介紹。最后對(duì)計(jì)算中使用的軟件包進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。
　　從第三章開(kāi)始介紹我們的研究工作。鉛鉍合金中O的微觀狀態(tài)對(duì)于探測(cè)O濃度至關(guān)重要，我們使用密度泛函理論

5、研究了O的局域結(jié)構(gòu)、擴(kuò)散過(guò)程。為了將鉛鉍合金中的O濃度控制在合適的區(qū)間中，H會(huì)作為控O元素加入到液態(tài)合金中。類(lèi)似于O，我們研究了H在鉛鉍合金中的短程有序性和溫度效應(yīng)。同時(shí)，我們還研究了合金中H與O之間的反應(yīng)過(guò)程，并對(duì)平衡條件下的濃度進(jìn)行了理淪預(yù)測(cè)，這對(duì)實(shí)驗(yàn)上控制O的濃度具有指導(dǎo)意義。
　　在第四章中，我們研究了液態(tài)鉛鉍合金與氧化層之間的相互作用。計(jì)算表明，鉛原子更傾向于吸附在氧化層的表面，并且吸附之后會(huì)促進(jìn)表面Fe原子的溶解。此外

6、，鉛原子和鉍原子能夠促進(jìn)氧化層中空位和間隙原子的形成，這對(duì)氧化層長(zhǎng)期的保護(hù)性能有不利影響。最后，我們發(fā)現(xiàn)Cr能夠抑制氧化層中空位的形成，并且會(huì)阻礙Fe原子在氧化層中的擴(kuò)散，因此Cr有助于提高氧化層的抗腐蝕性能。
　　在第五章中，我們使用團(tuán)簇動(dòng)力學(xué)方法對(duì)鎢表面存在晶界和溫度梯度時(shí)，氘濃度的演化進(jìn)行了理論研究。研究結(jié)果表明，當(dāng)晶界寬度小于3nm時(shí)，能夠抑制氘向鎢內(nèi)部的擴(kuò)散，而當(dāng)晶界寬度大于3nm時(shí)，就可能作為氘的聚集中心。當(dāng)鎢表面存在