针对核材料中缺陷团簇演化的分子动力学模拟与分析方法研究

Clustering defects are important existence form of defects in materials irradiated by energetic particles. Evolution of the defect clusters can induce the change of physical properties of the materials. Conducting atomistic simulations of dynamical processes of the defect clusters and extracting the dynamical parameters that could be used in multiscale simulations are important for understanding the underlying mechanism of radiation effects of materials. However, with the increase of the defect cluster size, it tends out to be very difficult to achieve this purpose by applying the generic molecular dynamics (MD). . The present project is aimed to develop atomistic simulation/analysis methods that could be applied for studying of dynamical behavior of defect clusters with increasing size. The contents include: to develop the Hyperdyanmics using GUP-based parallel computing to enhance the time-space scale that the simulations could achieve; combing the developed technique with the idea of linear-increasing-temperature MD, which was introduced by the present applicant to calculate the lifetime of helium bubbles nearby W surfaces, to investigate the diffusion, coalescence and dissociation of defect clusters (including the clusters of self-interstitials, vacancies , helium atoms ) and to extract the coarse-grained dynamical parameters that could be applied in the model establishment of simulation techniques of larger time-space scale.

缺陷团簇是材料受外源载能粒子辐射后产生的重要缺陷形态, 材料的宏观物理性能的改变即为缺陷团簇演化的结果。在原子层次模拟缺陷团簇动力学过程，并从中提炼出可以用于多尺度模拟的动力学参量，对于人们从多时空角度去深入理解核材料的辐射效应机理有重要意义。但是，随缺陷团簇尺寸增大,现有分子动力学模拟方法很难达到以上目标。. 本项目就是要建立原子层次的模拟与分析方法，研究材料中较大缺陷团簇的动力学行为。具体内容包括：发展基于GPU并行计算的超动力学（Hyperdynamics）方法，从而提升分子动力学可模拟的时间空间尺度；结合申请人在计算近钨表面氦泡寿命时提出的线性升温分子动力学模拟分析方法，研究较大缺陷团簇（包括自间隙原子团簇、空位团簇、氦团簇等）的扩散、融合、复合团簇的解离等动力学过程，获得这些过程的粗粒度动力学参数，为更大时空的模拟方法提供动力学建模依据和参数。

缺陷团簇是材料受外源载能粒子辐射后产生的重要缺陷形态, 材料的宏观物理性能的改变即为缺陷团簇演化的结果。在原子层次模拟缺陷团簇动力学过程，并从中提炼出可以用于多尺度模拟的动力学参量，对于人们从多时空角度去深入理解核材料的辐射效应机理有重要意义。但是，随缺陷团簇尺寸增大,现有分子动力学模拟方法很难达到以上目标。.本项目就是要建立原子层次的模拟与分析方法，研究材料中缺陷及团簇的动力学行为。研究内容既包含方法学层面的理论研究和相应模拟计算程序的实现，同时还包含其针对具体物理过程的应用。具体来说有以下几点内容和结果：1）进一步开发和完善基于GPU并行计算的分子动力学程序包MDPSCU，并新建了一个基于GPU并行计算和迁移融合模型的蒙特卡洛程序包MCPSCU；2）首次在分子动力学中同时嵌入电子阻止和双温模型两种适用于不同能区的原子-电子能量交换模型，从而阐明模型对级联碰撞产物（缺陷数和团簇的尺度）的影响；3）模拟研究了氢从氢-氦团簇中解离的动力学过程，指出氢有多个解离路径从氢-氦团簇中解离，需用粗粒度解离速率描述，并提出了计算粗粒度解离速率的方法；4）模拟研究了氦在铜和铜-钨界面中的扩散和自聚集特征，阐明了氦在铜-钨界面上倾向于在铜侧形成氦泡，解释了相关实验观测结果；5）通过模拟研究低能氖原子与硅表面的相互作用，阐明了质量迁移是该辐照条件表面上形成纳米波纹的主要机制；6）模拟研究了钨中预存氦泡对级联碰撞的协同作用对级联碰撞产物的影响。.在本项目支持下，已申请软件著作权一项，发表研究论文10。研究结果对于辐照条件下材料中缺陷演化机理的深入认识，以及各动力学过程的多尺度建模具有重要指导和参考意义。