低活化结构材料中氢氦与缺陷协同作用的模拟研究

Neutron radiation damage effects are the main problem for developing nuclear material and nuclear technology. Under neutron irradiation, large amounts of defects, H and He impurities from transmutation reactions are generated inside structural materials of fusion reactor, causing microstructural changes and bubble formation, leading to material swelling and embrittlement, and seriously affect operation lifetime of the reactor. Therefore, clarifying the interaction between H and He with structural defects (vacancies, voids, grain boundaries) under neutron irradiation is one of the importance to understand the mechanism of neutron irradiation damage. Using multiscale simulations, this project is to study the microscopic mechanism of interaction between H/He impurities and voids/grain boundaries in the low activation structural material of vanadium alloy (V-4Cr-4Ti) and vanadium solid. First-principles study of retention, migration, segregation behavior of H and He impurities in small void and grain boundary, the effect of the alloying elements Cr and Ti, and their synergetic interactions. Molecular dynamics and Monte Carlo simulations of evolution behaviors of the complex clusters of H-defects and He-defects; a microscopic physical image of interactions between H/He impurities and structural defects in vanadium materials will be established. This research will provide basic data for developing of radiation-resistant structural materials and has important scientific significance.

中子辐照损伤效应是核材料和核技术研发长期面临的主要问题。在中子辐照下，聚变堆结构材料内部产生各种缺陷和核嬗变生成大量的氢、氦杂质，引起微结构变化和气泡形成，导致材料肿胀和脆化，严重影响反应堆的运行寿命。因此，阐明中子辐照下材料中嬗变氢、氦与结构缺陷（空位，空洞，晶界）之间的相互作用，是理解中子辐照损伤机理的关键之一。本项目采用多尺度模拟对低活化结构材料钒合金（V-4Cr-4Ti）和钒固体中氢、氦杂质与空洞和晶界相互作用的微观机制进行深入的理论研究。第一性原理计算研究材料中氢、氦杂质在空洞、晶界处的滞留、迁移、偏聚行为，Cr和Ti合金元素的影响，以及它们的协同作用；分子动力学和蒙特卡罗模拟研究氢、氦杂质与缺陷复合团簇的演化行为；初步建立钒材料中氢、氦杂质与结构缺陷作用的微观物理图像。此研究，为研发抗辐照金属结构材料提供基本数据，具有重要科学意义。

中子辐照损伤效应是核材料和核技术研发长期面临的主要问题。在中子辐照下，先进反应堆结构材料内部产生各种缺陷和核嬗变生成大量的氢、氦杂质，引起微结构变化和气泡形成，导致材料肿胀和脆化，严重影响反应堆的运行寿命。因此，阐明中子辐照下结构材料中嬗变氢、氦与结构缺陷（空位，空洞，晶界）之间的相互作用，是理解中子辐照损伤机理的关键之一。低活化钒合金具有优良的抗辐照和高温力学性能等特性被认为是有潜力的先进反应堆候选结构材料。目前，国内外已开展大量实验研究，但理论模拟研究十分缺乏，微观作用机理有待澄清。本项目通过原子尺度模拟重点针对体心立方钒/铁金属和钒合金中氢、氦杂质与空位缺陷和晶界相互作用的微观机制开展了系统的理论模拟研究。主要研究内容和结果如下：首先采用第一性原理方法，建立钒金属计算模型，引入氢/氦杂质、空位和晶界缺陷，研究了中子辐照下材料中氢、氦杂质在空位、晶界处的滞留、迁移、偏聚行为。从能量和电子结构的角度，揭示了影响氦、氢杂质偏聚和扩散的主要因素，阐明了空位缺陷、晶界与氢氦杂质的相互作用机理。其次，考察了氢、氦杂质偏聚于空位和晶界而诱导新空位的形成能力，发现间隙氦杂质能显著地活化空位的形成。最后研究了合金化元素Ti和Cr在晶界的行为及其对氢、碳、氧、氮杂质偏聚的影响，发现Ti易于向晶界偏聚而引起脆化，Ti能吸收氢、氮而形成稳定的复合物，而Cr能强化晶界并阻碍杂质向晶界偏聚，很好解释了杂质原子引起晶界脆化或强化的根源。上述研究成果，在国际SCI期刊发表学术论文11篇，其中5篇发表在Journal of Nuclear Materials期刊，为后期更大尺度的微观结构演化模拟提供了重要的基础输入参数，对建立钒基合金材料中氢、氦杂质与结构缺陷作用的微观物理图像，为深入研究辐照下核材料中氢、氦杂质与缺陷复合团簇的演化及杂质偏聚引起的脆化和肿胀，为研发和优化抗辐照金属结构材料，提供了具有重要的理论指导价值。