金属钨中级联碰撞的分子动力学模拟研究

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，核聚变能的开发已经引起了全世界的广泛关注和研究。因为聚变堆中第一壁材料长期暴露在高能中子等强辐射的特殊环境下将会对材料的性能产生巨大的影响，所以第一壁材料将是决定聚变堆使用寿命的关键之一。金属钨具有耐高温、良好的热导率和低溅射率等特性，因而成为未来核聚变堆中第一壁面向等离子体的候选材料之一。中子辐照和核聚变反应最终导致第一壁材料中有少量氦原子的滞留和沉积，而氦原子在金属钨中的积累会形成氦泡，最终导致金属表面起泡甚至形成纳米丝状结构，这都将极大的降低金属钨的使用性能。所以，研究金属钨的级联碰撞行为成为目前一项非常有意义的工作。
　　本文运用分子动力学方法详细地研究了金属钨的级联碰撞辐照损伤，并考虑了金属钨中含有间隙氦原子和替位氦原子的情况。本文分别讨论了氦原子浓度、初级离位原子能量(PKA)和辐照温度这三个条件对金属钨中缺陷数目和缺陷构型的影响。基于NRT模型和分子动力学模拟的结果，分别计算了各种辐照条件下的级联效率，得出以下结论:(1)在纯钨中，最后稳定状态的缺陷数目和级联效率都随着辐照温度的升高而减少，但是这种减少的趋势比较微弱。最后稳定状态幸存的缺陷数目随着PKA能量的升高而增加。(2)金属钨中间隙氦原子的存在可以促进缺陷的产生并提高级联效率，而且这种趋势会随着间隙氦原子浓度的升高而变得更加显著。同时缺陷数目和级联效率也随着辐照温度的升高而明显的增加，这与纯钨中的情况是完全相反的。PKA能量对于缺陷数目的影响与纯钨中的情况是一致的，缺陷数目随着PKA能量的升高而增加。间隙氦原子对级联碰撞中缺陷结构分布产生很大的影响。在级联碰撞中出现了大量沿着<111>方向的挤列子，尤其是在间隙氦浓度较高的时候，这些挤列子聚集在一起形成了较大的团簇。(3)替位氦原子存在对金属钨中缺陷数目的影响与间隙氦存在时的情况完全相反。替位氦原子的存在抑制了缺陷的产生，而且缺陷数目随着替位氦原子浓度的升高而减少。

目录

声明

摘要

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 金属钨的辐照现状

1．5 本文研究内容

第2章 基本方法的介绍

2．1 分子动力学方法

2．1．1 分子动力学方法的基本思想

2．1．2 有限差分法

2．1．3 系综简介

2．1．4 势函数

2．2 本章小结

第3章 纯钨的离位级联碰撞模拟

3．1 模型与计算方法

3．2 缺陷对数目随着辐照温度和PKA能量的变化

3．3 钨的级联效率

3．4 纯钨的缺陷构型

3．5 本章小结

第4章 间隙氦存在于金属钨中的级联碰撞模拟

4．1 缺陷对数目随着辐照条件变化

4．2 稳定状态缺陷的数目

4．3 氦原子存在时的级联效率

4．4 缺陷结构的演化及其分布

4．5 本章小结

第5章 替位氦存在于金属钨中的级联碰撞模拟

5．1 替位氦存在时，缺陷数目随时间的变化

5．2 稳定状态的缺陷数目

5．3 缺陷结构的演化过程

5．4 本章小结

结论

参考文献

致谢

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