钨辐照损伤及晶界交互作用分子动力学研究

摘要

由于聚变能相比于化石能源的诸多优势，人们正大力发展核聚变能源，若可以成功地将其大规模利用，则可能从根本上解决能源问题。与此同时，对聚变反应堆第一壁关键材料的研究也成为研究热点。核聚变反应堆产生的高能中子会对第一壁材料进行辐照，辐照诱发点缺陷经过长时间的积累和演化，使材料微观结构发生改变，最终导致宏观性能的恶化，使材料失效。钨(W)作为核聚变反应堆最有前景的面向等离子体材料而备受关注，因此，W辐照损伤过程的深入研究对于更清楚的认识和理解W在中子辐照下的行为以及对核反应堆材料的设计和改进都具有重要意义。
　　本文运用针对辐照损伤特点改进的分子动力学方法，探究bcc-W在中子辐照初期，辐照诱发缺陷形成和演化的微观过程的原子机制。研究体系有两类:单晶W体系(SC-W)和含有晶界的W体系(GB-W)。对于SC-W，本文研究位移级联产生的缺陷数量及分布，PKA入射方向和辐照温度对稳定Frenkel缺陷的影响，缺陷团簇分数、团簇数量和大小以及W的离位阈能受辐照温度和PKA入射方向的影响;对于GB-W，定量分析晶界分别对辐照诱发间隙原子和空位的不同作用效果，以及通过对Σ13[001](230)晶界和Σ17[001](140)晶界的对比探究晶界角度的不同对缺陷吸收能力的影响。SC-W的结果表明若级联诱发的缺陷在峰值阶段呈近球形密集分布，则稳定阶段Frenkel缺陷相对较少，若缺陷呈非球形相对分散分布，则稳定阶段Frenkel缺陷相对较多;稳定Frenkel缺陷受PKA方向的影响不大，且随辐照温度升高有下降趋势;比较而言，间隙原子团簇分数比空位团簇分数高，而空位团簇倾向于形成较大的团簇;W的平均离位阈能受温度影响较小，并具有一定的各向异性。GB-W研究得出W中晶界在级联碰撞的皮秒尺度内对于辐照诱发间隙原子和空位呈现双重作用:一方面晶界吸收间隙原子，另一方面晶界导致体系中残留更多空位。整体看来，晶界使整个体系中的缺陷总数高于相同条件下的单晶体系。研究结果还显示Σ17[001](140)晶界比∑13[001](230)晶界显示出对间隙原子更好的吸收作用，这可能归功于晶界中原子更混乱的排列程度、更大的晶界比率和更高的晶界能量。本文为理解和分析核聚变堆中服役的W材料的行为提供基础数据，同时为W合金的辐照损伤研究提供了基础。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 核聚变能的提出

1．1．2 核聚变技术的发展

1．2 核聚变堆材料

1．2．1 核聚变堆关键材料

1．2．2 最具前景的第一壁候选材料-钨

1．3 辐照损伤基本概念

1．3．1 辐照效应和级联碰撞

1．3．2 离位阈能Ed

1．3．3 辐照损伤中的晶界

1．4 聚变堆材料研究现状

1．4．1 材料辐照的研究方法

1．4．2 反应堆关键材料的研究

1．4．3 W材料的辐照损伤研究

1．5 本论文研究意义及内容

2 应用于辐照级联碰撞改进的分子动力学方法

2．1 分子动力学基本方法

2．1．1 分子动力学原理

2．1．2 牛顿方程数值积分算法

2．1．3 初始体系条件设定

2．2 分子动力学在级联碰撞中的改进

2．2．1 辐照损伤模拟流程

2．2．2 势函数

2．2．3 时间步长的改进

2．2．4 系综选择

2．3 辐照诱发点缺陷判断方法

2．3．1 Wigner-Seitz晶胞法

2．3．2 晶格匹配法

2．4 辐照损伤模拟中碰撞粒子的能量消耗

2．4．1 中子与靶原子的碰撞

2．4．2 金属中PKA能量的消耗

2．5 中子能谱与PKA能谱

2．5．1 聚变堆和裂变堆的中子能谱

2．5．2 中子产生的PKA能谱

2．6 硬件环境

2．7 本章工作小结

3 单晶体系钨(SC-W)辐照诱发缺陷形成与演化

3．1 SC-W模拟体系

3．2 级联碰撞Frenkel缺陷随时间演化及形态分布

3．2．1 PKA能量对Frenkel缺陷随时间演化的影响

3．2．2 级联碰撞过程中缺陷形态分布

3．3 级联碰撞稳定阶段Frenkel缺陷对个数NFS

3．3．1 PKA能量对NFS的影响

3．3．2 PKA能量对级联效率η的影响

3．3．3 PKA入射方向对NFS的影响

3．3．4 温度对NFS的影响

3．4 缺陷团簇

3．4．1 PKA能量对缺陷团簇分数的影响

3．4．2 团簇大小与团簇个数的关系

3．5 离位阈能

3．5．1 温度对Ed的影响

3．5．2 PKA入射方向对Ed的影响

3．6 本章工作小结

4 W中晶界与辐照诱发缺陷的相互作用

4．1 晶界结构模型

4．1．1 晶界的选择

4．1．2 GB-W模型的建立

4．2 晶界宽度判定

4．3 GB-W辐照损伤的模拟方法

4．4 晶界对辐照诱发问隙原子和空位的影响

4．4．1 晶界对辐照诱发总缺陷数的影响

4．4．2 晶界对辐照诱发间隙原子和空位的作用

4．5 Σ13[001](230)和Σ17[001](140)晶界对缺陷作用的对比

4．5．1 晶界对缺陷回复ηr协的作用

4．5．2 晶界对空位和间隙原子个数的影响

4．5．3 晶界对间隙原子和空位平均值的影响

4．5．4 晶界对缺陷作用差异的分析

4．6 本章工作小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢