辐照损伤对γ相U-Mo合金蠕变和拉伸力学性能的影响研究

It is well-known that U-Mo alloy in γ-phase state is the most possible fuels for future fast and research reactors in the frame of RERTR program. Under irradiation condition, displacement cascades lead to numerous radiation defects. Radiation damage will change the microstructure of fuel, and the mechanical properties of nuclear fuel depend significantly on the evolution of the material microstructure..The degeneration of mechanical properties may result in fuel failure. So, understanding the radiation damage effects on the mechanical behavior of fuel is important for safe fuel design.. So far the studies of post-irradiation mechanical behavior of U-Mo alloy are extremely limited, so we will study the effects of radiation damage on mechanical behavior of U-Mo alloy employing molecular dynamics simulations. The investigation includes the simulation of displacement cascades and the evolution of radiation defects in U-Mo alloy, the mechanical properties and deformation behavior will also be investigated through tensile simulations. The results will give a detailed atomistic understanding of the interaction between irradiation damage and mechanical behavior of U-Mo fuel. Our investigation will be helpful to improving irradiation stability and life of the fuel in future fast and research reactors

众所周知，γ-相U-Mo合金是RERTR计划中最有潜力的快堆和实验堆燃料，在辐照条件下，级联碰撞会在燃料内部产生大量缺陷，缺陷的演化导致燃料的微观结构发生改变，燃料的力学性能对其微观结构有很强的依赖性，由辐照损伤引起的力学性能的退化可进一步导致燃料失效，因此，认识辐照损伤对U-Mo合金力学性能的影响对燃料的安全设计具有重要意义。. 目前，关于辐照后U-Mo合金力学性能的数据鲜有报道，鉴于此，本项目拟采用分子动力学研究辐照损伤对U-Mo合金力学性能的影响，研究内容包括U-Mo合金中的级联碰撞、辐照缺陷的演化过程、通过拉伸模拟研究辐照缺陷对U-Mo合金力学性能和变形机制的影响。本项目将在原子尺度上探明辐照损伤对U-Mo合金力学行为的影响结果和影响机理，为提高快堆和实验堆燃料的安全性和抗辐照能力提供帮助。

通过分子动力学模拟，我们研究了U-Mo合金中的辐照损伤对其塑性变形的影响机理。通过对U-Mo合金辐照损伤的模拟，获得了辐照级联过程及最终的缺陷形态。模拟显示，在多晶U-Mo结构中，晶界一方面可以消散原子的动能，阻挡热峰体积扩散至邻近晶粒，一方面可以容纳间隙缺陷，使热峰区域最终只留下空位和空位簇。通过拉伸变形的分子动力学模拟，我们发现孪晶是U-Mo合金主要的塑性变形方式，孪晶往往在三晶界交叉处成核，然后通过在（112）晶面释放[111̄]/6位错扩展至整个晶粒。模拟中发现在晶界附近的辐照缺陷会引起应力集中，孪晶亦可以在辐照缺陷处成核，从而增加孪晶形成的几率。通过分析应力应变曲线，我们发现辐照损伤会增加U-Mo合金的拉伸强度，这与辐照缺陷会促进孪晶的形成有关。. 另外，我们通过第一性原理计算了正交和六方结构U2Mo合金的弹性常数、应力应变曲线、声子振动频率、电子结构和热学性质。结果显示两种结构的U2Mo合金均呈现晶格振动稳定性，但能量上六方结构的U2Mo合金更稳定。通过变形模拟，我们发现两种结构的U2Mo合金呈现力学各向异性的特征。研究还发现Mo原子可以抑制γ-U表面的氧化。. 通过理论模拟研究，我们在微观尺度上给出了辐照损伤对U-Mo合金变形机制的影响，为实验上改善U-Mo合金的抗辐照性能给出了理论基础。