钨中位错环与缺陷相互作用及其演化行为研究

The selection of fusion reactor materials is one of the biggest challenges of the fusion energy development. Tungsten is regarded as the most promising facing plasma material. However, under the extreme operating condition in fusion reactor, various irradiation defects will form in tungsten material, causing degradation of material properties. Dislocation loop is a common defect of tungsten material in irradiation environment, which is directly related to many material mechanical behaviors, such as irradiation swelling, irradiation hardening, etc. Neither the evolution mechanism of dislocation loop nor its interaction with other defects in tungsten is clear yet. In order to provide comprehensive understandings to the dislocation loop evolution behavior, the characteristics of dislocation loop interactions with defects and the influences of dislocation loop to material mechanical properties, this project adopts multi-scale computational simulations methods to study the dislocation loop basic properties and the interactions between dislocation loop and defects, with the consideration of stress field effects. These studies are supposed to reveal the mechanism of dislocation loop slip/turn behaviors, the laws of interactions between dislocation loop and defects, and give a relatively complete parameter database of dislocation behavior for larger scale simulations. Furthermore, the design and development of future fusion reactor material will be benefited from this project.

聚变堆材料的选取是聚变能源开发面临的重大挑战之一。钨被视为聚变堆中最有可能全面应用的面对等离子体材料。但是，在聚变堆严酷的工况条件下，钨材料中将会产生各种辐照缺陷，进而导致材料性能劣化。位错环是钨材料在聚变辐照条件下产生的一种常见缺陷，位错环演化行为与钨材料的辐照肿胀、辐照硬化等直接相关。目前，钨中位错环演化机制及与缺陷的相互作用尚不明晰。本项目采用不同尺度的计算模拟方法，系统研究钨中位错环的基本性质、与缺陷的相互作用及应力/应变效应，给出钨中位错环扩散行为，揭示不同应力条件下位错环的滑移/转向机制，得到位错环与缺陷相互作用规律，通过其与位错相互作用揭示位错环对材料力学性能的影响机理，以期为未来聚变堆钨基抗辐照材料的设计开发提供指导，并为更大尺度的材料中子辐照模拟提供事件列表及相关参数。

通过采用分子动力学和弹性理论两种研究手段，揭示了钨中1/2<111>位错环/刃位错和缺陷的相互作用机制。系统研究了钨中1/2<111>位错环和单空位之间的相互作用，给出结合能随两者之间距离和位错环大小的变化关系；计算了1/2<111>位错环和双空位以及空位团簇的相互作用，分析两者不同位置和尺寸得到的结合能分布表明不同类型空位型缺陷在与位错环相互作用时具有不同的特性，吸收范围通常不是简单的球形结构。通过改变体系温度、空位团簇尺寸和位置模拟了位错环移动距离随时间的变化及跃迁频率，获得空位团簇对位错环移动能力的影响规律。探索了钨中不同方向<111>自间隙子与不同大小/形状1/2<111>位错环的相互作用，得到不同方向自间隙原子与位错环相互作用(吸收/排斥)的区域，从而抽象出位错环与自间隙原子相互作用模型，发现位错环大小与自间隙子方向是影响位错环吸收范围的两个重要因素。考虑外加应力作用，获得应力条件下不同方向间隙子与位错环相互作用（吸收/排斥）区域，并抽象出位错环与间隙子相互作用模型，给出外加应力条件下两者作用机制。给出了1/2 <111> {110}和1/2<111> {112}刃位错与单空位和自间隙原子的结合能与吸收范围。通过本项目的系统研究揭示了金属钨中位错环与空位型和间隙型缺陷的作用机制，给出了外加应力与温度对相互作用机制的影响规律，这些结果为动力学蒙特卡洛和团簇动力学等大尺度模拟方法研究中子辐照条件下材料性能提供重要的输入参数和计算模型。