从 Frenkel 缺陷复合研究聚变用金属钨辐照损伤的自修复机理

Designing nuclear materials that can sustain extreme amounts of neutron radiation damage is an important challenge for future nuclear reactors. During service, irradiation by neutrons produces defects in materials, which can lead to swelling, hardening, and embrittlement of materials. These are primary causes of material failure. Currently, improving the neutron radiation-resistance performance of nuclear materials by enhancing their self-healing capability has become one of research hotspots in the field of nuclear materials. The main type of defects produced by neutron irradiation is Frenkel pairs, and thus its recombination plays a key role in the self-healing of radiation damage. In this project, the self-healing mechanism of radiation damage in tungsten (W) will be studied, because W is considered as one of the most promising plasma facing material (PFM) in fusion devices. Using first-principles calculations and molecular dynamics simulations, we plan to investigate the recombination of Frenkel pairs in W. The influence of grain boundary and impurities (including hydrogen, helium, rhenium and osmium) on the recombination of Frenkel pairs will also be considered. On the basis of these researches, the self-healing mechanism of radiation damage in W will be revealed. The possible approaches will be further proposed to improve the self-healing capability of W. This project is expected to provide guidance and good reference for developing superior radiation-resistant PFMs.

如何提高材料的抗中子辐照性能是未来核能发展面临的重要挑战。中子辐照将导致材料中产生缺陷，进而引起材料肿胀、硬化和脆化等问题，甚至导致材料失效。目前，通过增强核材料的自修复能力来提高其抗中子辐照性能已成为核材料研究领域的热点之一。Frenkel 缺陷是中子辐照产生的主要缺陷，它的复合对材料辐照损伤的自修复起着关键作用。本项目以聚变用钨基面对等离子体材料为研究对象，综合应用第一原理计算与分子动力学模拟方法，系统研究钨中Frenkel 缺陷的复合行为，考察晶界和杂质（氢/氦、嬗变元素铼/锇）对Frenkel 缺陷复合行为的影响，从 Frenkel 缺陷复合的角度揭示钨辐照损伤的自修复机理，并给出提高钨材料自修复能力的可能途径，以期为研发高性能抗辐照面对等离子体材料提供理论指导和参考依据。

钨（W）材料作为未来聚变堆中最有可能全面使用的面对等离子体材料。但是，在中子辐照下W中将产生大量Frenkel缺陷（空位和自间隙原子），严重影响W材料的服役行为及性能。本项目以“Frenkel缺陷的复合”为突破口，针对W中Frenkel缺陷的复合行为以及晶界和杂质对Frenkel缺陷复合的影响开展相关研究，具有重要的科学和应用价值。现将本课题取得的成果汇报如下：.1、揭示了本征W中Frenkel缺陷复合的物理图像。研究了本征W中空位和自间隙原子的迁移、聚集和重组过程，发现自间隙原子的扩散势垒远低于空位的扩散势垒，这表明自间隙原子的迁移是W中Frenkel缺陷复合的主要途径。空位和自间隙原子存在两种不同的复合方式：自发复合和升温复合。.2、给出了晶界对W中Frenkel缺陷复合的影响规律。研究了W晶界中Frenkel缺陷的稳定性，发现晶界能够显著降低空位和自间隙原子的形成能，这从热力学上表明空位和自间隙原子将向晶界处偏析。因此，晶界可以作为材料中空位和自间隙原子的偏析区域，促进Frenkel缺陷的复合。.3、给出了氢/氦（H/He）对晶界耦合运动的影响。研究了W中不同晶界在不同温度下的耦合运动模式，发现晶界结构和温度对于晶界的迁移能力具有重要影响；进一步研究了H/He对W中晶界耦合运动的影响，发现H/He易于被晶界所捕获，同时随着晶界区域H/He浓度的上升，晶界区域原子结构从有序变为无序，这将严重降低晶界的迁移能力。因此，H/He将显著抑制晶界的迁移，阻碍W材料通过晶界耦合运动实现自修复。.4、揭示了嬗变元素对W中Frenkel缺陷复合的影响机理。研究了嬗变元素铼/锇（Re/Os）与辐照缺陷的相互作用，发现Re/Os与空位之间存在一定的相互吸引，且Re/Os能够略微降低空位的扩散势垒；更重要的是，Re/Os与自间隙原子之间有着很强的吸引作用，Re/Os的存在能够显著抑制W中自间隙原子的一维扩散，同时降低自间隙原子的转向势垒，使间隙原子的扩散模式从一维变为三维，这将促进W中Frenkel缺陷的复合。. 本项目研究期间共发表了13篇SCI论文，参加国际会议17人次，国际交流8人次，建立了卓有成效的国际交流合作关系。