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(shí)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(wèn)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(qiáng)烈的輻照之下，輻照損傷是其失效最主要的原因。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的積累和演化，輻照誘發(fā)點(diǎn)缺陷會(huì)導(dǎo)致材料的宏觀性能的變化和材料的力學(xué)性能的退化，最終使材料失效。由于鎢優(yōu)良的性能，鎢被認(rèn)為是未來(lái)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(huì)與輻照誘發(fā)點(diǎn)缺陷發(fā)

2、生作用。因此，細(xì)致研究鎢中晶界與輻照誘發(fā)缺陷相互作用演化機(jī)制，對(duì)于清晰認(rèn)識(shí)晶界的作用，調(diào)控晶粒尺寸和取向來(lái)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(dòng)力學(xué)方法和自演化原子動(dòng)力學(xué)蒙特卡羅方法。針對(duì)輻照損傷的特點(diǎn)，對(duì)分子動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行調(diào)整，用調(diào)整后的分子動(dòng)力學(xué)方法研究鎢中晶界與輻照誘發(fā)點(diǎn)缺陷的相互作用，并探討晶界參數(shù)對(duì)材料抗輻照性能的影響；利用自演化原子動(dòng)力學(xué)蒙特卡羅方法研究鎢中輻照誘發(fā)點(diǎn)缺

3、陷的與擴(kuò)散相關(guān)的問(wèn)題。
　　本文以體心立方結(jié)構(gòu)鎢中的6組對(duì)稱傾斜晶界為對(duì)象，初級(jí)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(diǎn)缺陷的相互作用時(shí)，我們?cè)O(shè)計(jì)了計(jì)算模擬方案。借助可視化和定量計(jì)算點(diǎn)缺陷數(shù)目分布的方法，給出晶界與輻照誘發(fā)點(diǎn)缺陷相互作用的原子演化圖像。研究結(jié)果表明：與空位相比，晶界對(duì)間隙原子具有偏置吸收作用。表現(xiàn)出隨初級(jí)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(shì)；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(gè)級(jí)聯(lián)碰撞過(guò)程-彈道相階段、復(fù)合階段和穩(wěn)定階段，點(diǎn)缺陷數(shù)量先增加后減少最后趨于穩(wěn)定，點(diǎn)缺陷數(shù)的減少發(fā)生在復(fù)合階段，有兩種主要機(jī)制在共同起作用：空位與間隙原子復(fù)合及間隙原子向晶界擴(kuò)散。晶界區(qū)域與級(jí)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(diǎn)缺陷數(shù)相對(duì)較少；而當(dāng)兩者幾乎不重疊時(shí)，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(shì)，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(shì)；而間隙原子分布比較均勻，受PKA能量的影響遠(yuǎn)小于空位的情景。通過(guò)模擬點(diǎn)缺陷的擴(kuò)散，我們得到鎢中單空位的擴(kuò)散常數(shù)為4.37?10-7m2/s，遷移能為1.45eV；自間隙原子的擴(kuò)散常數(shù)為1.07?10-7m2/s，遷移能為0.015eV?？梢?jiàn)，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(lái)進(jìn)一步理解晶界與輻照誘發(fā)點(diǎn)缺陷相互作用結(jié)果