中子辐照条件下液态LiPb/固态Fe界面相互作用的原子模拟

Fusion energy is one promising kind of clean energies. The test blanket module (TBM) is a key energy conversion component to achieve high environmental adaptability and low cost of power generation in fusion energy applications. The liquid LiPb blanket is one of the most improtant subjects. The interfaces among liquid LiPb, structural steel and coating are the key point for the development of liquid LiPb blanket technology. Up to now, however, the corrosion laws based on the interface between liquid LiPb and structural steel can only meet the limited engineering needs. The foundational research for the liquid/solid interface is seriously falling behind. In the present proposal, the interfacial interactions between liquid LiPb and solid Fe are used to study the corrosion mechanism. The Li-Pb-Fe atomic interaction potential functions will be constructed and optimized at first; then the dynamic evolution processes under neutron irradiation will be analyzed for the interactions between liquid LiPb and the low-index surface of single crystalline or the surface of polycrystalline Fe. The distribution of the atomic density, energy, stress and diffusion coefficient near the interface will be obtained, with which the microstructure change can be identificated. The influence of lattice defects on the diffusion behavior of Li, Pb and Fe atoms will be discussed. The rule of irradiation effects on the interfacical interactions between liquid LiPb and solid Fe will be clarified. So we can obtain the corrosion mechanism of structural steel in liquid LiPb alloy. The above results will be the foundation for studying the interface between liquid LiPb and structural steel, and they can be used to optimiz the composition of steel and provide the guidance for the liquid LiPb TBM design.

核聚变能是极有发展前景的清洁能源。包层是实现高环境适应性和低发电成本的聚变能源应用的关键能量转换部件, 其中液态锂铅包层为重点研究对象，液态锂铅、结构钢、涂层的界面是发展液态锂铅包层技术的关键。目前针对液态LiPb/结构钢界面研究总结的腐蚀规律仅能解决急需的工程问题，针对液固界面的基础研究严重滞后。本项目以液态LiPb/固态Fe界面为研究对象，通过构建并优化Li-Pb-Fe原子间相互作用势函数，研究中子辐照条件下液态LiPb与铁低指数表面和多晶铁表面的相互作用的动态演化过程，分析界面附近的密度、能量、应力和扩散系数分布，鉴定合金化产物微结构的演变，探讨晶体缺陷对Li、Pb、Fe原子扩散行为的影响，弄清辐照效应对液态LiPb/固态Fe界面相互作用的基本规律，得到液态LiPb对Fe腐蚀的微观机制，为研究液态LiPb/结构钢界面和结构钢成分优化奠定基础，为液态LiPb包层模块的设计提供指导。

本项目构建了Li、Pb、Fe的元素势以及Li-Pb、Fe-Li合金势并对这些势函数进行了检验。测试结果表明，这些势函数能很好地重现所检验的物理量。模拟研究了不同温度下Li-Pb界面的合金化，发现不同温度下Li-Pb界面上都形成了B2-LiPb金属间化合物，形成的B2-LiPb很稳定起到扩散阻挡层的作用阻碍界面两侧Li、Pb原子的进一步合金化。不同温度通过影响界面处B2-LiPb形核时间的早晚来影响制备得到的LiPb共晶结构的均匀性。对Fe-Li固-液界面性质的研究表明界面性质表现出明显的各向异性。温度较低时Fe(001)/(110)-Li固-液界面附近液态Li沿界面法向出现明显的分层现象，而且这些原子层与Fe基底原子面的对称性一致，随着温度的升高界面处的液态Li层逐渐消失，这两种情况下Li原子很难向Fe基底中扩散。与此二界面不同，Fe(111)/多晶Fe-Li固-液界面处液态Li的有序度要低很多，同时Li原子更容易向Fe基底中扩散，温度越高扩散越快。更重要的是不同于单晶Fe-Li固-液界面，在多晶Fe-Li固-液界面样品中Fe在液态Li中溶解的速度明显比单晶Fe-Li固-液界面时要快。总的来讲Fe(111)和多晶Fe表面与液态Li接触时，固态Fe与液态Li的相容性比另外两种情况下要差些。分析表明界面性质的各向异性源自于界面处Fe原子不同的稳定性。对铅/铅固液界面处原子扩散机制的研究发现界面处原子的运动有三种不同的模式：在平衡位置振荡（类似于固体），空位扩散（跳跃到近邻位置但不脱离界面）和脱吸附的运动（原子离开界面扩散到液体里，然后又回到界面处的扩散过程）。空位扩散是我们首次发现。对Fe原子在液态Li中的团聚行为及团聚产物对液态Li粘度的影响研究表明，温度越高团聚越快，团聚后的Fe团簇会导致液态Li粘度的增加。最后研究了Fe(001)-Li固-液界面在辐照下的响应，发现液态Li的存在能减弱辐照对Fe块的损伤，有利于喷射出的Fe原子向Fe块复合。