掺氦钒中级联碰撞的分子动力学模拟

摘要

随着地球能源短缺和环境污染等社会性问题的日益突出，核能的开发和利用显得尤为重要。到目前为止，核聚变能和新一代核裂变能的开发已经引起了全世界的广泛关注和研究。核反应堆中第一壁结构材料因长期暴露在高能中子等强辐射环境下，其材料性能将会发生巨大的改变，因此第一壁结构材料将是决定核反应堆使用寿命的关键因素。作为高性能结构材料之一，钒基合金因其具有优良的性能—低活化性能、高的热传导性能、高抗中子辐照性能、超高温力学性能，以及它与液态锂之间很好的兼容性，被认为是核反应堆第一壁和包壳结构应用中有前途的候选材料。在核反应堆中，由（n，α）核嬗变反应产生的杂质氦原子将会嵌入到结构材料里面，而氦原子的积累将会诱导氦泡的形成，这将导致空位肿胀和产生高温脆化，表面粗糙，起泡，以及高温下永久的蠕变断裂。
　　为了解释金属钒中上述现象发生的微观机制，本文运用分子动力学方法详细地研究了掺氦金属钒中的级联碰撞情况。主要考虑了替位氦浓度、辐照温度以及初级碰撞原子能量对位移级联的影响。其中，替位氦原子浓度从0.2 at.％变化到1.0at.%，辐照温度分别考虑了300K和600K，初级碰撞原子能量从5keV变化到40keV。结果显示弗兰克尔缺陷对的数目随着初级碰撞原子能量的增加而增加，但600K时的增加速率却小于300K的增加速率。本文的主要关注点在氦-空位团簇的形成上。氦-空位团簇的数目随着氦浓度和初级碰撞原子能量的增加而增加，而最大氦-空位团簇的尺寸在氦浓度较低时不依赖于初级碰撞原子的能量和辐照温度。钒中辐照产生的小氦-空位团簇的构型与铁中小氦-空位团簇的构型是不一样的。钒中氦-空位团簇中氦原子更倾向与占据四面体间隙位置，而不是八面体间隙位置。
　　本文的研究结果为掺氦钒中位移级联产生的缺陷间的相互作用提供了原子尺度的描述，也为更高尺度的材料辐照模拟，像动力学KMC（kinetic Monte Carlo）和ABC（autonomous basin climbing）方法等提供了一些必需的参数来再现实验数据。因而所有这些理论模拟对于描述钒中氦泡和氦脆的机制将是十分有用的。

目录

声明

西北师范大学研究生学位论文作者信息

1 绪论

1.1 核能的开发与利用

1.2 核结构材料

1.3 辐照及He元素对核结构材料的影响

1.4 本文内容

2 材料的辐照损伤

2.1 辐照损伤的理论基础

2.2晶体缺陷

2.3材料的辐照效应的分类

3 分子动力学方法

3.1 分子动力学方法简介

3.2 分子动力学基本思想

3.3 分子动力学计算流程

3.4 原子间相互作用势

3.5 时间积分算法

3.6系综原理

4 掺氦金属钒中级联碰撞的分子动力学模拟

4.1金属钒中辐照损伤及He行为研究进展

4.2 模型和方法

4.3 级联碰撞的分子动力学过程

4.4点缺陷的产生

4.5 氦-空位团簇的数目和大小

4.6 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士硕士学位期间发表的学术论文

致谢