应力环境中金属W和Fe晶体缺陷处氦泡的生长机理研究

The development of key materials for thermonuclear fusion device is one of the mainly challenge for application of nuclear fusion energy. Tungsten (W) and iron (Fe) are the main candidate materials for first wall and divertor in future thermonuclear fusion reactors. In an extreme fusion environment, W and Fe will be exposed to high fluxes of helium (He) ions. the retention of He in W and Fe can lead to the formation of bubbles, which will deteriorate the mechanical properties of the materials，such as radiation swelling and high-temperature embrittlement. Previous studies mainly focus on small He bubble growth in W and Fe under environment free of stress. In this project, we will systematically investigate the helium bubble (including small and big size) growth process at crystal defects (vacancy, dislocation and grain boundary) in W and Fe under the effect of stress, explore the helium bubble growth mechanism under various of stress states. Our research will provide a useful reference for controlling the growth of He bubble, the performance and lifetime evaluation of W and Fe in future fusion reactor.

聚变堆材料的研发是核聚变能源开发利用所面临的重大挑战之一。钨（W）和钢铁（Fe）是聚变堆中最重要的第一壁及偏滤器材料。聚变反应所产生的氦（He）聚集在第一壁及偏滤器的晶体缺陷处并形成为纳米级的气泡，使材料发生肿胀和氦脆，导致材料性能发生退化。前人已经对无应力环境中小半径氦泡在晶体缺陷处的生长机制进行了详细的研究。本项目拟用分子动力学模拟计算及在此基础上的理论分析，研究应力环境中不同尺寸的氦泡在体心立方金属W和Fe的空位、位错、晶界等晶体缺陷处的生长过程，探明其生长机制，揭示在各种应力条件下W和Fe晶体缺陷处氦泡的生长规律。该项研究成果无疑将丰富和深化人们对W和Fe晶体中氦泡形成机制的认识，为进一步实现金属W和Fe中氦泡生长的人工调控、为可控核聚变第一壁及偏滤器材料的设计奠定重要的理论基础。

聚变堆材料的研发是核聚变能源开发利用所面临的重大挑战之一。钨和钢铁是聚变堆中最重要的第一壁及偏滤器材料。聚变反应所产生的氦聚集在第一壁及偏滤器的晶体缺陷处并形成为纳米级的气泡，使材料发生肿胀和氦脆，导致材料性能发生退化。本项目通过分子动力学模拟和理论分析，研究了体心立方金属钨和铁中位错、棱柱位错环、晶界、相界等晶体缺陷处氦泡生长的过程，并进一步探讨了这些缺陷附近的应力场以及外加应力场对氦泡生长的影响。研究发现螺位错、棱柱位错环、晶界及相界等晶体缺陷都有利于氦泡形核生长，但氦泡在不同缺陷处的具体生长方式各不相同。（1）氦泡在螺位错附近生长时，被氦泡挤出的自间隙型缺陷直接被螺位错吸收，导致螺位错形成位错螺旋结构；进一步研究发现螺位错周围存在着三重对称分解的拉应力和压应力区域，拉应力区域的存在有利于氦泡的生长。（2）氦泡优先在棱柱位错环上形核，在生长过程中自间隙子被棱柱位错吸收，导致棱柱位错向内（空位型位错环）或向外（间隙型位错环）攀移，导致环面缩小（扩大），最终使氦泡积聚于位错环的外部（或内部）。（3）W/Ta界面错配位错交点处是氦泡优形核生长位置；氦泡挤出的自间隙原子被错配位错吸收，引起错配位错离开相界面向晶体内部攀移，并带动氦泡一起迁移，偏离相界面。（4）不同类型的晶界对氦泡的形状影响很大，氦泡在某些晶界处呈现一维生长现象，使该晶界具有氦的纳米通道效应，有利于氦从晶体内部排出。（5）在冲击压应力下，氦泡会向内塌陷并产生[100]型空位位错环，该种塌陷方式决定于氦泡周围的应力状态以及晶体结构；氦空位比越高，氦泡在冲击压力下就越稳定。（6）应力状态对氦泡的生长有显著影响，氦泡优先向拉应力方向排出位错环，并沿该方向定向生长。该项研究成果丰富和深化了人们对体心立方金属晶体中氦泡形成机制的认识，为进一步实现金属中氦泡生长的人工调控奠定重要的理论基础。