核材料中子辐照损伤的团簇动力学模拟综述

核材料中子辐照损伤是影响核能装置安全性和稳定性的关键问题之一.由于难以开展大量的中子辐照实验来评估核材料的损伤机理,因此相关理论模拟至关重要.介观尺度团簇动力学(CD)模型由于不受时间和空间尺度的限制,是一种研究材料中子辐照损伤长时间演化的有效方法.本文综述了CD的模型、数值算法和最新进展,重点介绍了CD在典型核材料的...     

核材料中子辐照损伤的团簇动力学模拟综述

核材料中子辐照损伤是影响核能装置安全性和稳定性的关键问题之一。由于难以开展大量的中子辐照实验来评估核材料的损伤机理,因此相关理论模拟至关重要。介观尺度团簇动力学（CD）模型由于不受时间和空间尺度的限制,是一种研究材料中子辐照损伤长时间演化的有效方法。本文综述了CD的模型、数值算法和最新进展,重点介绍了CD在典型核材料的中子辐照问题中的系列应用,并对CD的未来发展进行了展望。     

电子辐照高纯铁电阻率回复的团簇动力学模拟

电阻率回复实验是研究材料辐照损伤机理的有效手段,可表征材料中辐照缺陷数量的变化。本文基于平均场速率理论开发了模拟辐照缺陷演化的团簇动力学程序,模拟了高纯铁经3MeV电子辐照至2.0×10-6 dpa后等时时效过程的缺陷演化过程,并与电阻率回复实验结果进行了对比。模拟结果表明,辐照缺陷数量随温度升高的演化过程与电阻率的变化趋势吻合得很好,电阻率回复的峰值分别对应于间隙原子、间隙原子团簇、空位团簇等缺陷的数量变化。该方法对于研究材料辐照损伤机理具有重要意义。     

核材料辐照损伤的并行空间分辨随机团簇动力学模拟

核反应堆中关键材料的辐照损伤演化对其性能有重要影响,且跨越多个量级的时空尺度。空间分辨随机团簇动力学是近年来发展的1种模拟核材料辐照损伤行为的有效方法,它避免了传统团簇动力学在缺陷种类和计算复杂性方面的限制,且能考虑缺陷的空间依赖性。在概述了空间分辨随机团簇动力学基本原理的基础上,论述了自主开发的大规模并行空间分辨随机团簇动力学程序MISA-SCD1.0的实现方式与关键技术,并将其应用于反应堆压力容器模型合金中富Cu团簇的析出模拟,验证了程序的正确性并测试了并行性能。结果表明,MISA-SCD1.0能获得与实验结果和类似模拟结果吻合的Cu析出过程,且具有较高的并行效率和良好的扩展性。     

辐照温度对钨材料表面微结构的影响

本文采用100 eV的He+对钨进行辐照实验,考察了辐照温度变化(室温-800°C)对钨材料的表面损伤作用。分别采用扫描电镜(Scanning Electron Microscope,SEM)、透射电镜(Transmission Electron Microscope,TEM)、导电原子力显微镜(Conductive Atomic Force Microscopy,CAFM)以及X射线衍射(X Ray Diffraction,XRD)技术对辐照后样品的微观形貌、内表面缺陷分布以及晶格结构进行了分析。结果表明,He+辐照后钨样品表面出现了纳米绒毛结构层,这种结构层组织间的间距及覆盖率都随辐照温度的增加而增加。纳米结构层会造成样品表面损伤,产生表面离域化,但不会引起钨晶相的改变。通过无损伤的CAFM检测技术证实了样品表面绒毛结构层的形成与样品内表面纳米尺寸He泡的形成有关。     

钨中空位及其团簇的能量学和动力学性质参数

在总结前人钨中空位及其团簇的能量学和动力学行为的研究成果基础上,采用第一性原理方法系统计算了钨中空位及其团簇的结合能和扩散能垒。研究发现,交换关联泛函PW91和PBE较PBEsol、AM05和LDA更适合用于计算钨空位的能量学性质。基于第一性原理计算结果对文献中单空位形成能、双空位作用性质等争议性问题进行了讨论,并对钨经验势进行了评估。研究结果表明,钨中孤立单空位间总是相互排斥,而空位团簇（V_n>3）对单空位具有很强的吸引作用,其结合能随着所含空位个数增多呈现波动性增大的趋势。空位团簇稳定结构可通过最小化Wigner-Seitz表面积来确定,其结合能与V_n与V_n-1之间的Wigner-Seitz面积之差呈正比。     

钨中空位及其团簇的 能量学和动力学性质参数

在总结前人钨中空位及其团簇的能量学和动力学行为的研究成果基础上,采用第一性原理方法系统计算了钨中空位及其团簇的结合能和扩散能垒.研究发现,交换关联泛函PW91和PBE较PBEsol、AM05和LDA更适合用于计算钨空位的能量学性质.基于第一性原理计算结果对文献中单空位形成能、双空位作用性质等争议性问题进行了讨论,并对钨...     

氢离子辐照诱导的钨表面周期性刻蚀研究

采用扫描电镜(Scanning Electron Microscope,SEM)、导电原子力显微镜(Conductive Atomic Force Microscope,CAFM)、能谱仪(Energy Dispersive Spectrometer,EDS)和纳米压痕等表征技术和方法,综合分析了130 eV氢(H)离...     

辐照硬化位错动力学模拟的研究进展

辐照硬化是金属材料的辐照效应之一,开展辐照硬化机理研究有助于设计可靠的反应堆结构材料.辐照产生的缺陷会对位错运动造成阻碍,被认为是辐照硬化的主要原因.近年来快速发展的位错动力学模拟方法为材料的微观组织变化和宏观力学性能之间建立起了桥梁,被广泛用于辐照硬化机理研究.对于一些辐照缺陷如位错环和层错四面体,位错动力学软件已能...     

钨中自间隙原子团簇扩散行为的分子动力学模拟

钨被视为未来聚变堆中最有可能全面使用的面对等离子体材料。而在未来聚变堆真实环境下,氘氚聚变反应产生的14 MeV高能中子辐照将在材料中产生严重的原子离位损伤和各种缺陷积累。其中自间隙原子（SIA）及其团簇是中子辐照损伤中最常见的缺陷种类。本文采用分子动力学模拟系统研究钨中1/2〈111〉和〈100〉 SIA团簇的稳定结构和形成能,发现SIA团簇最稳定结构是1/2〈111〉 SIA团簇结构,SIA团簇聚集后会稳定存在。并研究了不同尺寸1/2〈111〉 SIA团簇的动力学扩散行为,发现单个SIA在温度高于700 K时易扩散和转向,而两个以上的SIA团簇在300~900 K时主要表现为一维方向的运动。为准确描述各种尺寸SIA团簇的动力学行为,给出了一套计算SIA团簇跃迁频率的经验参数。相关结果将为更大尺度的动力学蒙特卡罗和团簇动力学模拟提供准确和完备的输入参数,为正确掌握和评价钨中子辐照行为提供依据。     

Molecular Dynamics Study on the Diffusion Properties of Hydrogen Atoms in Bulk Tungsten

Molecular dynamics simulations were performed to study the diffusion behavior of hydrogen atoms in body-centered cubic(bcc) tungsten(W). The energy distribution of a single hydrogen atom in the (001) plane of tungsten lattice was computed. The values of diffusion barriers agree well with other theoretical and experimental results. The interaction between an H atom and a vacancy was simulated, which shows evidence of strong binding effect. The temperature effect on the diffusion behavior of hydrogen atoms was investigated. The critical temperature for an H atom to diffuse in bulk W with and without vacancies were calculated to be 950 K and 450 K, respectively, which is supported by several experimental results. In addition, the diffusion coefficient of hydrogen atoms in tungsten was evaluated and analyzed.     

金属钨级联碰撞中势函数的影响

原子间相互作用势函数的精确性会影响分子动力学级联碰撞模拟结果的精确性。本文选取5种典型的金属钨势函数进行比较测试,通过分子动力学方法,用能量为10 keV和50 keV的初级碰撞原子进行级联碰撞模拟,讨论和分析了辐照过程中缺陷的产生、缺陷团簇和位错环的分布。结果表明：对于最终稳定状态下的弗兰克尔对的数目,不同势函数的模拟结果没有明显差别,而对于缺陷的空间分布、缺陷团簇分数及位错环的分布,不同势函数的模拟结果各有特点。本文结果为用于辐照级联模拟势函数的选择提供了参考,也为钨基势函数的进一步优化提供了指导。     

钨中氦泡融合条件的分子动力学模拟研究

在托卡马克聚变装置中,钨偏滤器会受到低能高束流的氦等离子体冲刷,导致材料表面形成绒毛状纳米结构或针孔状表面损伤,使钨材料使用性能发生退化,影响等离子体的稳态运行。目前普遍认为,氦致表面损伤的形成与钨表面下氦泡的生长密切相关。钨受到氦等离子体辐照后会在材料的近表层形成高密度的小氦泡,它们可通过融合的方式长大,氦泡的融合是近表层大氦泡形成的关键环节。为了解氦泡的相对位置、温度、氦空位比(He/V)、氦泡初始间距对氦泡融合的影响,本文采用分子动力学方法模拟氦泡在金属钨中的融合过程。结果表明：氦泡的相对位置、温度、He/V、氦泡初始间距都会影响氦泡的融合,但影响的机理并不相同。其中,氦泡的相对位置是影响氦泡融合的关键因素,当氦泡沿〈100〉方向排列时,氦泡易发生融合,而沿 〈111〉方向排列则不易发生融合,其原因是氦泡附近存在各向异性的应力场。温度升高有利于氦泡体积得到更快、更充分的弛豫,进而促进氦泡发生融合。高He/V的氦泡具有较高的压力,更易发生融合。当温度为1 500 K时,2个He/V为3、半径为1 nm的氦泡之间的相互作用距离可达1.28 nm甚至更远,但它们发生融合的最大初始距离为0.96 nm。本研究可促进对钨中氦泡融合机理的理解,为钨中大氦泡的形成提供可能的解释。此外,本研究结果可为大尺度模拟（如动力学蒙特卡罗、团簇动力学）提供相关输入参数用于研究高密度氦泡的长时间演化。     

Effects of Si~(3+) and H~+ Irradiation on Tungsten Evaluated by Internal Friction Method

Effects of Si~(3+)and H~+irradiation on tungsten were investigated by internal friction(IF)technique.Scanning electron microscope(SEM)analysis revealed that sequential dual Si+H irradiation resulted in more serious damage than single Si irradiation.After irradiation,the IF background was significantly enhanced.Besides,two obvious IF peaks were initially found in temperature range of 70~330 K in the sequential Si+H irradiated tungsten sample.The mechanism of increased IF background for the irradiated samples was suggested to originate from the high density dislocations induced by ion irradiation.On the other hand,the relaxation peak PL and non-relaxation peak PH in the Si+H irradiated sample were ascribed to the interaction process of hydrogen atoms with mobile dislocations and transient processes of hydrogen redistribution,respectively.The obtained experimental results verified the high sensitivity of IF method on the irradiation damage behaviors in nuclear materials.     

Influence of a Static Magnetic Field on Laser Induced Tungsten Plasma in Air

In this work,laser induced tungsten plasma has been investigated in the absence and presence of 0.6 T static transverse magnetic field at atmospheric pressure in air.The spectroscopic characterization of laser induced tungsten plasma was experimentally studied using space-resolved emission spectroscopy.The atomic emission lines of tungsten showed a significant enhancement in the presence of a magnetic field,while the ionic emission lines of tungsten presented little change.Temporal variation of the optical emission lines of tungsten indicated that the atomic emission time in the presence of a magnetic field was longer than that in the absence of a magnetic field,while no significant changes occurred for the ionic emission time.The spatial resolution of optical emission lines of tungsten demonstrated that the spatial distribution of atoms and ions were separated.The influence of a magnetic field on the spatial distribution of atoms was remarkable,whereas the spatial distribution of ions was little influenced by the magnetic field.The different behaviors between ions and atoms with and without magnetic field in air were related to the various atomic processes especially the electrons and ions recombination process during the plasma expansion and cooling process.