氢杂质在金属钨中的热力学行为研究

摘要

金属钨 （W）及其合金由于具有高熔点、高导热性、高温高强度、低热膨胀系数、低溅射率、低蒸气压和低氚滞留等优点，被认为是最有前景的面向等离子体材料（Plasma facing materials, PFMs）之一。W金属材料作为PFMs，需要经受高流量的高能粒子流辐照，进而承受很高的热负荷，这对材料的组织结构、缺陷形成等产生重要影响。另一方面，由于H离子是高温核聚变等离子体的主要成分，因此高能粒子流的成分主要是H离子，故H杂质容易进入金属W晶格并影响材料的服役寿命。基于上述原因，研究高温及高辐照条件下金属W材料的热力学性能，具有重要的实践意义。　　本论文中，我们首先应用第一性原理分子动力学方法，模拟研究了W晶格的辐照损伤和W晶格中辐照粒子的热力学行为。模拟了低能氢粒子（LoE-H） （52 eV）和高能氢粒子（HiE-H）（5.2 keV）对W表面的辐照行为，并将结果与低能碳（LoE-C）（56 eV）的辐照进行比较。研究发现，由于C原子与W晶格之间的相互作用强得多，因此，辐照过程中W晶格吸收LoE-C的能量比吸收LoE-H的能量快很多，这些能量激发了表面C原子使得其具有很高的动能，进而C原子辐照后，表面区域容易产生空位缺陷。模拟结果还显示，LoE-H粒子穿入W金属表面的深度估计约为140 ?，比LoE-C粒子（12 ?）大约高一个数量级。同时，结果还发现W晶格中HiE-H粒子的行为与LoE-H的行为完全不同。如果不考虑HiE-H粒子和W原子核之间的直接碰撞，在1 ps的模拟时间内，HiE-H粒子在W晶格中几乎是直线运动，穿入金属W的深度可以达到140μm。同时，在AIMD模拟中未观察到HiE-H辐照对W晶格的损伤，这表明HiE-H辐照产生的损伤仅在原子核之间直接碰撞发生。　　除了HiE-H粒子的辐照行为外，金属W中的H杂质粒子的热力学行为也对材料的服役性能影响很大。由于H杂质对W的力学性能和热力学性能有很大的影响。因此，我们利用第一性原理方法，研究了间隙H对金属W的力学和热力学参数的影响，如W的弹性常数、弹性模量、自由能、熵、膨胀系数和声子热导率。我们还特别地计算了与温度和H浓度相关的参数，并总结了H浓度对材料性能的影响。结果表明，随着温度的升高，W金属的力学强度逐渐降低。另一方面，H杂质粒子提高了金属W的延展性，这与以前文献中的报道一致。W的热膨胀系数随H杂质的浓度增加而增加。W的声子热导率也受H杂质的强烈影响，并且随着H浓度的增加而降低。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 能源问题

1.2 可控核聚变的发展

1.3 核聚变反应的工作环境

1.4 面向等离子体材料的选择

1.5 W中H杂质行为的研究现状

1.6 本论文的研究内容及意义

第2章 第一性原理计算方法及其理论基础

2.1 第一性原理计算方法简介

2.2 绝热近似

2.3 基于密度泛函理论的单电子近似

2.4 第一性原理分子动力学

2.5 密度泛函微扰理论

2.6 VASP软件包简介

第3章 H杂质辐照金属W表面的行为研究

3.1 计算方法与模型

3.2 AIMD模拟研究 H（C）杂质粒子辐照W（110）面

3.3 本章小结

第4章 不同浓度H杂质对W的力学和热力学性能的影响

4.1 计算方法

4.1.1计算细节

4.1.2力学特性计算

4.1.3热力学性质计算

4.2 WHx的基态结构与力学性能

4.3 WHx的晶格动力学特性

4.3.1 晶格振动计算

4.3.2 热力学性质

4.4 本章小结

第5章 结论与展望

5.1本论文的主要结论

5.2展望

参考文献

致谢

在读期间公开发表论文（著）及科研情况