高温应力耦合作用对材料中氦缺陷影响的机理研究

The higher design and operation temperatures in future nuclear facilities indicate the more importance of coupling effect of high temperature and stress on radiation defects and related changes of macroscopic properties, becoming one of critical factors affecting lifetime of reactors. Thus, it is important not only from academic viewpoint but also from its potential application, to study such coupling effect on defects in materials. In this application, we mainly focused on the coupling effect on nucleation, migration and evolution of helium defects. The multi-scale simulations (e.g. molecular dynamics method, nudge elastic band and kinetic Monte Carlo), especially the recently developed accelerated molecular dynamics method, were used to simulate the kinetic process of helium bubble with different sizes at different temperatures from 10^(-15) s to hours and even longer time scale. The simulation results can not only provide the basic parameters of helium-vacancy clusters under stress/strain effect, e.g., the formation energy, binding energy and migration energy, but also show the possible mechanism of effect of stress/strain on helium effect. Combing with these simulations, the critical experiments with irradiation by high/low α particles and precisely controlling radiation dose, dose rate, temperature and magnitude of stress/strain, were performed to understand the coupling effect on size and population distribution of helium bubbles. The output of this project would not only be helpful to understand the basic mechanisms of coupling effect, but also provide important data for selecting materials and developing new radiation resistance materials used in the future nuclear facilities in China.

随着未来先进核能系统设计运行温度的逐渐提高，高温应力耦合作用对材料中辐照缺陷的产生与演化以及材料宏观使用性能的影响越来越显著，成为决定结构材料服役寿命的关键因素之一，深入开展相关研究具有重要的科学意义和潜在的应用价值。本项目针对高温应力耦合作用下含氦缺陷的形核及其演化过程这一尚未解决的重要科学问题展开研究。通过多尺度模拟(如MD, NEB, kMC)，尤其是应用最近开发的加速分子动力学方法，模拟材料中氦泡在不同温度和应力/应变场下从10^(-15)秒到小时甚至更长的时间内的演化动力学过程，获得含氦缺陷的形成能、结合能及迁移能等基本参数；利用高/低能量氦粒子注入，精确控制剂量、损伤率以及样品温度和应力/应变，实验研究耦合作用对氦泡尺寸及分布的影响。通过理论和实验结果对比分析，探索高温应力耦合作用对材料中氦行为的影响机理，为我国未来先进核能系统用材料的筛选与研发提供重要的科学依据和基础数据。

为了确保我国能源安全和充足供给，国家制定了相应的核能安全发展规划，特别是新一代裂变堆和聚变堆的研发，能够使我国在核能领域处于世界领先地位。在这些新堆型中，伴随着中子能量和剂量的增加，材料不仅受到更高温度和应力影响，而且还会受到通过(n,α)反应形成的α粒子影响，由于α粒子在材料中的溶解度几乎为零，导致容易聚集造成He脆，严重影响材料服役行为，因此，深入开展相关研究温度应力对He相关缺陷的影响，具有重要的科学意义和潜在的应用价值。本项目通过计算模拟和实验验证的研究方法，对高温应力耦合作用下含氦缺陷的形核及其演化过程展开研究，通过多尺度模拟以及更新开发的加速分子动力学方法，模拟了材料中氦泡在不同温度和应力/应变场下从10^(-15)秒到小时甚至更长的时间内的演化动力学过程，获得含氦缺陷的形成能、结合能及迁移能等基本参数；利用高/低能量氦粒子注入，实验研究耦合作用对氦泡尺寸及分布的影响。发现了在高温应力作用下，He泡的扩散机制主要通过形成He泡周围的瞬态间隙子及间隙子扩散的方式进行，但是不同于一般条件下的机制，耦合作用使得瞬态形成的间隙子或者离开He泡或者局限在He泡附近，造成He/V比降低或者动力学扩散性降低，导致He泡的整体扩散性能变弱；He泡之间的相互作用则会导致He泡-位错环复合结构的形成，这些结果均与实验结果一致；对于高能粒子辐照后的材料，通过原位透射电镜拉伸分析测试方法，详细研究了辐照缺陷在位错线作用下的相互作用机制，首次揭示了扩散通道的存在。同时，通过本项目研究发现，He离子辐照形成的位错环，特别是<100>位错环，也会发生扩散运动，应用更新的更加高效的加速分子动力学方法，揭示了其通过惯性面旋转的方式进行扩散的机制，原位透射电镜分析表征，得到与计算相同的机制；因此，本项目通过计算模拟和实验相结合的方式，理解了耦合作用对材料中氦行为的影响机理，为我国未来先进核能系统用材料的筛选与研发提供重要的科学依据和基础数据。