核结构材料中氢氦行为的第一性原理研究

摘要

核聚变能是洁净、安全和用之不竭的最强大能源。而核聚变的实现，在很大程度上依赖于成功地开发出核部件的高性能材料。在第一面壁材料覆盖下的第一壁结构材料既作为真空室的壁，又包容第一壁冷却剂，在多数设计中还是包层的一部分。这些结构材料处于严酷的使用环境，在使用过程中会受到核聚变反应产生的14MeV高通量的中子的轰击，造成材料的晶格损伤。而且有大量嬗变产物——氢和氦会进入材料中，在材料体内与缺陷相互作用进而影响材料的性能，减少材料的服役寿命。因此必须选择具有较好的抗辐照损伤性能，能在高温应力下运行，兼备良好的力学性能的材料作为结构材料。
　　Ti3SiC2材料兼备陶瓷材料耐高温、抗氧化、耐腐蚀和高强度的特点以及金属材料良好导电导热、可加工性、塑性好等特点，而且较SiCf/SiC复合材料制造成本低，具有良好的连接特性，加之其具有低活化性能，有望成为新一代聚变反应堆结构材料。本论文利用基于密度泛函的第一性原理软件包(CASTEP)对He在Ti3SiC2材料中的行为从原子尺度进行模拟研究。首先计算了He在材料中3个可能占据位置的能量:通过比较能量并结合态密度分析，发现He容易在材料内结合性比较弱的Si层附近累积;He的积累进一步弱化Si-Ti层间结合作用，会加剧Si层与Ti层间的断裂，进而在该层容易产生裂纹。接着引入材料中比较常见的缺陷——空位，探究空位与He相互作用机制。通过计算发现Si空位最容易形成。形成的Si空位容易捕获两个He原子形成VHe2复合体。若Si层空位数目逐渐增多，该复合体易连接形成二维板状的裂纹。可见，He的存在将大大破坏材料的性能，影响材料的服役寿命。
　　低活化铁素体/马氏体钢(RAFM)具有较好地抗高温强度，高温抗蠕变，耐腐蚀性能，具备较低的辐照肿胀和热膨胀系数，较高的热导率等优良的热物理、机械性能，以及相对较为成熟的技术基础，因此被普遍认为是先进裂变堆以及未来聚变示范堆和聚变动力堆的首选结构材料。本论文利用基于密度泛函理论的第一性原理软件包(VASP)研究发现了在bcc-Fe中H诱发多空位各向异性聚核，进而探讨了相关的机制。研究表明空位的存在降低了H的溶解度。H原子易在空位团簇的周边被捕获，与邻近的Fe原子形成很强的键。由于较强的Fe-H键的存在，使得空位团簇在H的钉扎作用下，在{110}面上沿着密排方向<111>进行二维聚核，诱导微裂纹的形成及扩展，最终会影响材料的性能。
　　本文创新点:从原子尺度上模拟研究了Ti3SiC2材料中He的行为以及与空位型缺陷相互作用的行为，探究这些行为对材料微观力学性能的影响;从原子尺度上模拟了α-Fe材料内微裂纹形成的诱因——Fe-H键的形成使得空位团在{110}面上沿着密排方向<111>聚集最终成二维板状裂纹。

目录

摘要

第一章 引言

1．1 聚变能

1．2 受控核聚变

1．3 材料辐照效应

1．4 结构材料

1．5 本论文的主要内容

第二章 理论计算基础和软件包介绍

2．1 理论计算基础

2．1．1 第一性原理(First Principle)

2．1．2 近似处理方法

2．1．3 密度泛函理论(Density functional theory，DFT)

2．1．4 能带理论

2．2 计算软件

2．2．1 Material Studio-CASTEP介绍

2．2．2 VASP介绍

2．2．3 两种软件对比

2．3 总结

第三章 He对Ti3SiC2材料结合性能的影响

3．1 Ti3SiC2材料晶体结构以及特性

3．2 Ti3SiC2材料中氦原子的行为

3．2．1 单个He原子的占据位置

3．2．2 单个He原子对材料性能的影响

3．2．3 Ti3SiC2材料中的单个氨原子的迁移

3．2．4 Ti3SiC2材料中氮原子团簇行为

3．3 Ti3SiC2材料中的空位缺陷与氨的相互作用

3．3．1 材料中的空位形成能

3．3．2 Ti3SiC2材料中的空位对氦的捕获

3．4 结论

第四章 H引起的α-Fe材料中空位团各向异性成核

4．1 Bee-Fe材料中单个空位和单个H的行为

4．1．1 单个H原子在纯Bcc-Fe材料中的占位情况

4．1．2 单个空位在纯Bcc-Fe材料中的行为

4．2 单空位附近的H-V复合体行为

4．3 空位团各向异性成核

4．3．1 空位团簇的形成

4．3．2 三空位团簇与H的相互作用

4．3．3 空位缺陷的演化

4．4 总结

第五章 总结

参考文献

在校期间发表论文列表

致谢

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