纳米多孔钨抗辐照损伤机理模拟研究

摘要

反应堆中，高能粒子轰击结构材料会在材料内部产生大量的点缺陷，例如自间隙原子(self-interstitial atoms，SIAs)和空位(vacancies，Vs)。这些缺陷进一步迁移、聚集和演化，将改变材料的微观结构，导致材料宏观性能的下降甚至失效。表面和晶界(grain boundaries，GBs)作为缺陷阱，能吸收辐照缺陷，促进其复合，进而有效提高材料的抗辐照损伤性能。本文综合采用分子动力学(Molecular Dynamics，MD)模拟、分子静力学(Molecular Statics，MS)计算和动力学蒙特卡罗(Kinetic Monte Carlo，KMC)多尺度模拟方法，探讨了纳米多孔钨中的表面和纳米晶钨中的晶界提高材料抗辐照性能的机理。全文主要分为三个部分。
　　一、程序开发
　　针对经典MD模拟时间尺度较短（纳秒）的局限，开发了可模拟辐照缺陷在长时间尺度行为的KMC程序，可考察实验温度和长时间尺度下钨表面及其晶界附近辐照损伤与修复机理。
　　二、纳米多孔钨依赖表面结构的辐照损伤修复机理
　　综合采用MD、MS和KMC方法，研究了纳米多孔钨的抗辐照损伤机理。研究发现:
　　(1)1000K下纳米多孔钨中初级辐照损伤基本过程。MD模拟初级级联碰撞过程揭示了缺陷结构演化所涉及的基本过程，包括SIA的优先偏聚、SIA和V的复合、表面溅射和吸附等。
　　(2)表面附近和表面上缺陷的能量学和动力学性质。1）表面附近存在SIA的自发捕获区域。块体中V倾向于向表面迁移，但具有上坡-下坡的能量变化曲线。2)表面上的SIA附近存在一个自发复合区域。3）表面上SIA和V湮灭通过由较远时SIA向V的移动和较近时由V的运动来完成。
　　(3)表面附近和表面上缺陷长时间尺度的动态行为。AKMC模拟表明在表面附近V以接近-反射的方式偏聚。在表面上SIA和V的运动轨迹与表面结构有关。
　　(4)纳米多孔钨中辐照损伤的修复机理。块体中SIA优先向表面偏聚。SIA偏聚时，也可复合其运动路径上的V。SIA到达表面后，其后续图像取决于表面局域结构。在(100)表面上，SIA钉扎在上面。此表面附近的V，或与SIA直接复合，或以接近-反射的运动方式偏聚。在(110)表面上，SIA快速移动并伴随有低能垒复合区域，而块体中V以接近-反射的运动方式偏聚。两种运动的耦合，使得V与SIA复合。
　　(5)表面(001)附近小空位团簇的聚集和偏聚。计算表明表面附近空位的聚集与偏聚存在竞争关系。小的空位团簇具有与单空位相当的高迁移性。空位团簇周围的单空位倾向于与团簇结合。V2和V3在(001)表面附近变得不稳定，通过分解最终被表面捕获。在低辐照剂量下，(001)表面可作为小空位团簇的缺陷阱。
　　三、纳米晶体W中辐照损伤的动态修复图像
　　采用多尺度模拟方法，研究了与GB附近间隙团簇（SIAn）行为。研究发现:
　　(1)GB附近SIAn的偏聚和反射。MD和MS计算揭示了SIAn在接近GB的局部疏松区时，会被GB捕获，而在接近GB的局部致密区时，它们会被反射回晶粒内部。GB附近对SIAn的捕获与反射分别对应于SIAn的下坡与上坡-下坡的能量变化曲线特征。对象KMC结果表明，反射促进了块体中Vs的湮灭，特别是低温下保持不动的Vs。
　　(2)GB内部动态SIA发射的V湮灭。SIA偏聚到GB后，MS计算表明在GB内由于SIA低的扩散能垒和大的结合能，它们可以团聚。对象KMC模拟表明GB内SIA首先沿着GB快速移动，并聚集成SIA2。通过耦合SIA2沿GB的运动与V向GB的跳跃达到缺陷湮灭。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 研究现状

1．3 主要研究内容

1．4 论文组织结构

参考文献

第二章 分子动力学方法

2．1 分子动力学方法

2．1．1 基本原理

2．1．2 体系的初始化

2．1．3 势函数

2．1．4 运动方程的数值求解

2．1．5 提高计算效率

2．2 构型弛豫

2．2．1 最速下降法

2．2．2 共轭梯度法

2．3 最小能量路径计算

参考文献

第三章 动力学蒙特卡罗方法

3．1 时间尺度问题

3．2 偶然事件体系、态-态动力学和KMC概念

3．3 速率常数和一阶过程

3．4 KMC程序

3．5 确定速率

3．5．1 过渡态理论

3．5．2 谐波过渡状态理论

3．6 晶格假设和速率目录

3．6．1 假设附加的相互作用

3．6．2 服从细致平衡

3．7 系统尺寸的计算比例

3．8 KMC不精确的真正原因

3．9 KMC可实现的仿真时间

3．10 低能垒问题

3．11 对象动力学蒙特卡罗(Object Kinetic Monte Carlo)

3．12 即时动力学蒙特卡罗(On-the-fly Kinetic Monte Oarlo)

3．13 结论

第四章 纳米多孔钨依赖表面结构的辐照损伤修复机理

4．1 研究背景

4．2 研究方法

4．2．1 相互作用势

4．2．2 计算模型

4．2．3 NP W中初级辐照损伤的MD模拟细节

4．2．4 表面附近SIA和V行为的MS计算细节

4．2．5 表面附近V行为的AKMC模拟细节

4．2．6 表面上或其附近SIA和V动态行为的OKMC模拟细节

4．3 研究结果

4．3．1 1000K下NP W中的初级辐照损伤

4．3．2 表面附近和表面上SIA和V的能量学和动力学性质

4．4 讨论

4．4．1 NP W中辐照损伤修复的原子机理

4．4．2 NP W中辐照损伤修复的宏观机理

4．4．3 表面与晶界修复机理和效率对比

4．5 结论

参考文献

第五章 钨(0 0 1)表面附近小空位团簇的聚集和偏聚

5．1 研究背景

5．2 计算方法

5．2．1 MS计算中相互作用势和表面模型

5．2．2 缺陷性质的定义和计算

5．2．3 表面附近空位演化OKMC模拟细节

5．3 研究结果

5．3．1 块体W中小空位团簇形成的MS观察

5．3．2 块体W中小空位团簇扩散的MS观察

5．3．3 空位团簇周围单空位形成和扩散的MS观察

5．3．4 W(0 0 1)表面附近小空位团簇迁移的MS观察

5．3．5 W(0 0 1)表面附近空位聚集和偏聚的OKMC观察

5．4 小结

5．5 支撑材料

参考文献

第六章 纳米晶体钨中动态反射和发射间隙与空位的湮灭

6．1 研究引言

6．2 研究方法

6．2．1 原子势函数和MS和MD计算模型

6．2．2 GB附近SIAn行为的MD模拟细节

6．2．4 GB处SIAn行为的MS计算细节

6．2．5 GB附近SIAn动态行为的OKMC计算细节

6．3 研究结果

6．3．1 GB附近SIAn偏聚和反射的MD模拟

6．3．2 GB附近SIA偏聚和反射的结构和动力学原因

6．3．3 通过SIA反射的V的动态湮灭

6．3．4 GB附近V-SIAn的相互作用

6．3．5 通过动态SIA发射的V湮灭

6．4 讨论

6．5 结论

6．6 支撑材料

参考文献

第七章 全文总结

7．1 全文结论和创新点

7．2 工作展望

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果