反应堆中嬗变产物氦泡在镍基合金晶界上生长机制研究

Nickel-based alloys have good corrosion resistance and high temperature creep performance, nickel-based alloy is considered to be one of the candidates for the fourth generation of nuclear reactors. Neutron transmutation reaction introduces helium and leads to helium embrittlement effect, thus affecting the safety of the reactor. nuclear nano-material has a large number of grain boundaries which are considered as helium "nucleation sites", making it possible to suppress the helium embrittlement, its role in the control of helium embrittlement is a hot and difficult topic. Dislocations at grain boundaries and grain boundaries type can play an important role in the formation and growth of bubbles of helium, however, recent experimental results indicate that the type of dislocations which play important roles in gathering helium in metals are different and the grain boundary energy are not the only significant factor affecting helium bubble size. In addition, the equation of state for helium bubbles at grain boundary is the key factors determining helium bubble growth, but the state of equation described with the interaction between helium and metal atoms is still lacking, nickel-based alloys and molten salt reactor research related to is specially insufficient. This investigation intends to study helium bubbles growth process at grain boundaries in nickel-based alloys in order to understand the "bubble to void" transformation mechanisms, and strive to provide a theoretical basis for the design of new anti-radiation alloys.

镍基合金具有较好的抗腐蚀和抗高温蠕变性能，因此镍基合金被认为是第四代核反应堆的候选材料之一。中子与镍发生嬗变反应生成氦，并在合金中聚集导致氦脆效应，从而影响反应堆的安全。纳米核材料中大量的晶界构建了大量氦的“成核场所”，从而有可能抑制氦脆的产生，其晶界在控制氦脆中的作用是国际上的研究热点和难点。晶界中的位错类型和晶界能在氦泡的的形成和生长过程中起着重要的作用，然而，最近实验结果表明不同的金属类型起作用的位错类型不同，而且，晶界能明显不是影响氦泡尺寸的唯一因素。另外，晶界上氦泡的状态方程是决定氦泡长大过程的关键因素，但能够精确的描述氦和金属原子相互作用的状态方程仍然缺乏，与熔盐堆相关的镍基合金相关研究更是不足。本研究拟采用第一性原理和分子动力学模拟相结合的方法研究氦泡在镍基合金中位错、晶界上的形成和长大过程，理解晶界上“氦泡到空洞”转化的物理机制，力争为设计新的抗辐照纳米合金提供理论依据。

能源问题制约和改变着人类生产和生活方式。核能相对相对于其他能源来说是比较经济，清洁、高效和稳定的能源。反应堆的安全性在很大程度上取决于核材料在极端环境下的性能，第四代先进核反应堆更为苛刻的工作环境对核结构材料的表现提出了更高的要求，其中之一就是核材料必须能够抵抗由于中子辐照引起的氦脆行为 。要将镍基合金更好的运用到第四代反应堆中，就必须理解氦与镍基合金相互作用的物理机制，从而对材料进行微观设计，控制由于氦的聚集而导致镍基合金的肿胀和氦脆。.1).在本研究工作中，我们利用第一性原理方法和分子动力学方法对氦在镍中的扩散聚集行为进行了模拟。建立了辐照级联过程的模型，建立了研究氦在镍中扩散聚集行为的模型，构建了模拟获得氦及其团簇在镍中扩散系数的物理模型，并且进一步建立了用第一性原理计算氦扩散系数的模型。.2).通过不同尺度下的研究手段和我们建立的研究模型，我们发现辐照级联过程中合金元素的加入对初级缺陷的形成有着重要的影响。.3) 在氦在镍中的聚集和扩散行为的研究中，我们研究发现，氦能够在没有缺陷的镍中迅速聚集成团簇，氦团簇需要在一定的温度下才能“挤出”一个镍原子，与空位结合形成氦-空位团簇..4).利用我们构建的位错模型，我们计算了镍中几种常见位错与氦作用的强弱，并且计算了复合位错在氦存在情况下的稳定情况。.5) 利用加速分子动力学方法，和实验相结合，模拟了镍基合金晶界和三叉晶界附近的氦泡运动情况，提出了氦泡聚集的新机理。