金属钼中级联碰撞及其诱发缺陷演化行为的模拟研究

摘要

随着能源危机的日益严重，核能的开发与应用就显得非常重要，目前世界上的核电基本都是裂变核电，在更加环保的聚变核电商业化之前，裂变核电仍将继续。核电的安全性一直都是倍受关注的问题，尤其是在福岛事故之后的今天。核电安全问题不仅包括防核泄漏，而且还包括防核扩散，熔盐堆在这两方面都有着极佳优势。但是这种熔盐堆中很重要的技术瓶颈就是抗中子辐照和抗熔盐腐蚀材料的研究，特别是直接暴露在强中子辐射下的材料，这就要求它必须具备高强度的抗辐射损伤性能和耐腐蚀性能等。然而，镍-钼-钨系镍基合金在现代金属材料中最耐蚀的一种，且具有良好的抗腐蚀性能，因此该合金在熔盐堆设计中具有极大的前景。本文应用分子动力学模拟方法和动力学蒙特卡罗方法，研究了纯金属钼在辐照环境下的离位级联碰撞过程及缺陷的演化过程。
　　在本文中，我们首先运用分子动力学方法模拟了金属钼的离位级联，讨论了辐照初始温度和PKA能量对级联碰撞过程的影响。研究发现到达峰值的时间和峰值缺陷数目随辐照初始温度和PKA能量增大而增加。而在碰撞过程中，PKA能量达到一定值，会产生子级联碰撞区。经分析发现，PKA能量对缺陷的形成和分布有影响显著，能量越高，产生的缺陷团簇分布越广，尺寸也相对越大，而辐照初始温度的影响相对比较微弱，受能量调控。通过结合MD方法和NEB方法，得出了部分缺陷团簇的稳定构型、结合能和迁移能。发现除个别受缺陷空间分布的对称性影响以外，缺陷团簇的结合能和迁移能基本上随所包含缺陷数目增加而增加。另外，通过对比空位团簇和间隙团簇的迁移能发现，间隙团簇易形成小尺寸团簇，且其迁移势垒非常低，极易发生迁移。
　　本文应用对象动力学蒙特卡罗方法对淬火阶段后的级联碎片进行了退火模拟，得到相关条件和情况下级联碎片中缺陷的复合规律。发现在退火过程中，由于间隙团簇和空位团簇迁移性和尺寸差异导致了几个不同的复合阶段:复合阶段Ⅰ在退火温度为90K左右开始，主要是由于间隙团簇的快速迁移，与空位团簇发生复合湮灭;第二次复合在退火温度达到390K～490K时发生，这个阶段的复合机制相对复杂，多种机制共同作用;而复合阶段Ⅲ的形成受缺陷团簇的数目和尺寸影响，一般要到高于700K才会出现，这个过程主要是大尺寸缺陷团簇通过发射点缺陷而再次出现的复合。最后仔细讨论了各个阶段的复合机制，给出了空位团簇和间隙团簇数目随退火温度的变化过程，很好地解释了OKMC的模拟退火结果。
　　本文通过对纯金属辐照损伤的详细模拟研究，为有关镍钼系镍基合金的辐照损伤的研究提供参考，以及为未来熔盐反应堆结构材料辐照性能的实验研究提供一定的指导作用。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究意义

1．3 辐照损伤简介

1．4 金属钼的辐照损伤研究现状

1．5 本文研究内容

第2章 基本方法介绍

2．1 分子动力学方法

2．1．1 分子动力学方法简介

2．1．2 分子动力学方法的基本思想

2．1．3 势函数

2．1．4 有限差分法

2．1．5 系综简述

2．2 NEB方法

2．2．1 NEB方法简介

2．2．2 NEB方法思想

2．3 KMC方法

2．3．1 KMC方法简介

2．3．2 OKMC方法简介

2．3．3 KMC算法介绍

2．4 本章小结

第3章 金属钼的离位级联模拟

3．1 模型与计算方法

3．2 缺陷对数目随辐照温度，PKA能量变化

3．3 缺陷构型

3．4 缺陷团簇尺寸分布

3．5 缺陷产生率

3．6 本章小结

第4章 金属钼中缺陷结合和迁移特性

4．1 缺陷团簇稳定构型

4．2 缺陷团簇迁移能

4．3 本章小结

第5章 金属钼中缺陷的长时演化

5．1 OKMC模拟初始化

5．2 OKMC退火演化结果

5．2．1 总缺陷数目随退火温度的演化

5．2．2 缺陷复合率随退火温度的变化

5．3 退火机制分析

5．3 本章小结

结论

参考文献

致谢

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