α-铁中氦泡在高能级联作用下的稳定性

摘要

辐照对聚变反应堆第一壁材料的影响一直都是材料科学关注的重点之一。由于氦基本上不溶于材料基体，氦原子易于被缺陷所捕获，形成氦-空位(He-V)团，甚至形成氦泡。氦泡的形成会导致反应堆材料出现空洞肿胀，从而使材料发生脆化或表面出现泡状，变得粗糙，使材料的宏观性能下降。因此，氦泡在材料中的产生和演变受到了很大的关注。 本文以α-Fe中纳米尺寸的氦泡为研究对象，应用分子动力学模拟方法，研究了高能位移级联同氦泡的相互作用和氦泡的稳定性。氦泡的初始体积约为212和636 。A3，氦泡中的氦与空位个数之比(He/V)的初始值取0.5到3，级联能(PKA)高达40 keV，研究了氦泡的尺寸和He/V比率的变化，分析初始He/V比率和PKA能量对级联作用下氦泡稳定性的影响。同时，还研究了不同相互作用势(第一种势：Fe-Fe，Fe-He和He-He相互作用势分别用Ackland势，Wilson-Johnson势和Beck势；第二种势：G J Ackland的Fe-Fe势，T.Seletskaia的Fe-He势和R.A.Aziz的He-He势)对模拟结果的影响。 模拟结果显示对于两种相互作用势，氦泡的稳定性主要依赖于初始He/V比率和PKA能量，与氦泡的初始尺寸大小有很小的关系。当初始He/V比率为3时，级联使得氦泡的体积增加，He/V比率减少；当初始He/V比率为0.5时，级联使得氦泡的体积减少，He/V比率增加。当初始He/V比率为1时，氦泡的稳定性与PKA能量有微弱关系。在对He/V比率为3的氦泡与级联的相互作用模拟结果分析中发现，对于相同的PKA能量，氦泡的尺寸越大，级联作用后产生的自间隙原子(SIAs)团的尺寸越大，而产生的SIAs团的数目越少。对于相同尺寸的氦泡，级联的PKA能量越大产生的小间隙原子团的数目越多，但是尺寸保持基本不变。 然而，两种相互作用势之间存在着一定的差异。这是由于势本身的特征对氦泡与级联的相互作用产生了一定的影响。级联作用后，第二种势得到氦泡中空位数目的改变量比第一种势大。两种相互作用势都得到氦原子从母泡脱离的几率随着PKA能量的增加而减少，但是对于相同的PKA能量，第二种势得到的几率比第一种势大。当初始He/V比率为3时，级联产生的SIAs团的数目和尺寸与相互作用势有关。级联作用后，对于相同的PKA能量第二种势得到SIAs团的数目和尺寸比第一种势大。这是由于第二种势在热峰相阶段产生了更多的次级联，而次级联的交叠将形成更大的团。同时，发现次级联发生的几率随着PKA能量的增加而增加。这些都表明第一种势模拟的氦泡比第二种势的更稳定。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪 论

1.1引言

1.2研究历史及已有成果

1.3研究方法

1.3.1氦的基本性质

1.3.2研究方法

1.4研究目的和意义

第二章 分子动力学模拟

2.1引言

2.2分子动力学的基本原理

2.2.1分子动力学的几种基本方法

2.2.2周期性边界条件

2.3运动方程积分

2.3.1 Verlet算法

2.3.2“蛙跳’’Leap-frog算法

2.3.3 Velocity-Verlet算法

2.3.4 Gear的预测-校正算法

2.4势函数

2.4.1对势和多体势

2.4.2 Fe-Fe相互作用势

2.4.3 Fe-He相互作用势

2.4.4 He-He相互作用势

2.5分子动力学模拟的系综

2.5.1控温方法

2.5.2控压方法

2.6 MD模拟的初始条件

第三章旧势模拟研究级联作用下氦泡的稳定性

3.1模拟方法和过程

3.2位移级联与636A(。)3氦泡的相互作用

3.2.1 PKA能量为20 keV

3.2.2 PKA能量为40 key

3.3位移级联与212A(。)3氦泡的相互作用

3.3.1 PKA能量为20 keV

3.3.2 PKA能量为40 keV

3.4两种尺寸氦泡的模拟结果分析和讨论

3.5本章小结

第四章 新势模拟研究级联作用下氦泡的稳定性

4.1 新势的一些性质

4.2 位移级联与636A(。)3氦泡的相互作用

4.2.1 PKA能量为20 keV

4.2.2 PKA能量为40 keV

4.3位移级联与212A(。)3氦泡的相互作用

4.3.1 PKA能量为20 keV

4.3.2 PKA能量为40 keV

4.4两种尺寸氦泡的模拟结果分析和讨

4.5相互作用势对模拟结果的影响

4.6本章小结

第五章结论

5.1全文主要结论

5.2本论文的创新之处

5.3展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果