中子辐照和温度联合作用下W/Cu功能梯度材料的微结构和热力学性质的理论计算研究

The stability of the controlled thermonuclear fusion reactor requires that the armor material in the reactor possesses some special functions. At present, the tungsten is widely considered to be the most promising plasma facing materials ( also known as the first wall materials ).Studying the performance of tungsten in the reactor under the special environment as well as the effective connectivity between tungsten and copper, where copper is a kind of the heat sink materials in the device, has become a very important issue. .In this proposal, with condisering the highly energetic neutron irradiation and temperature in the reactor device, we will theoretically study the micro-structures and thermodynamical properties of the plasma facing materials of W films and the gradual functional material of W/Cu films. We will firstly develop the tight-binding potential models for W and for W-Cu, followed by combination with the molecular dynamics, to systematically investigate the thermodynamic properties of the gradual functional materials with different components and various structural defects created by the neutron at different temperatures. The theoretical results will be valuable for the experimental exploration about W/Cu gradual functional materials; And the developed W/Cu tight-binding potential model will be a new theoretical tool in the study about the complex W / Cu system.

可控热核聚变反应堆的稳定运行需要反应堆装置中包层材料具备一些特殊的功能。目前，钨被认为是最具前景的面向等离子体材料(又称为第一壁材料)。研究钨在反应堆特殊环境中的服役性能以及钨与铜基热沉材料的有效连接已成为可控热核反应堆中一个非常重要的课题。.本项目针对反应堆装置中的高能中子辐照和高温环境，拟对面向等离子体材料W薄膜及W与Cu组成的功能梯度材料的微结构和热力学性能进行理论计算研究。我们将首先构造出W/Cu体系的原子间相互作用的紧束缚势模型，并将势模型与分子动力学结合，详细研究在不同的温度下受中子辐照的W薄膜表面结构的动力学演化行为、W/Cu合金功能梯度材料中的结构缺陷和组分配比对体系的热力学性质的影响。本项目的研究结果为实验探索W/Cu功能梯度材料提供理论参考；所构造的W/Cu紧束缚势模型为研究复杂的W/Cu体系提供新的理论研究方法。

主要研究内容：. 针对聚变堆中W-Cu体系的壁材料，发展了基于量子理论的适用于大规模数值理论计算的紧束缚势模型。这是该研究项目的关键性的研究内容。我们按既定的研究计划，获得了W与W相互作用、Cu与Cu相互作用、W与Cu相互作用的紧束缚势。并将所发展的紧束缚势与分子动力学结合，使之能开展在有限温度下模拟W-Cu体系在高能粒子辐照后的结构、缺陷、力学性质、热力学性质的演化。. 通过大规模计算，我们模拟的高能粒子辐照下W中结构缺陷的产生、复合和演化；计算了缺陷演化过程中体系的瞬时力学性能的变化；研究了缺陷演化时，体系的热导率，提出了热导率与缺陷密度的关系；获得了粒子辐照导致的表面区中W原子溅射出表面的规律。. 我们大规模计算了WCu混合体系的原子化结构，发现W与Cu趋于分相结构：Cu和W分布聚集。对WCu不同混合结构，我们计算了体系的力学性质。.不仅如此，我们在紧束缚势的理论计算中引入了高能粒子碰撞激发（或温度激发）的电子熵。模拟了在不同的电子温度下，W的块体材料和W表面的熔化行为和体积的肿胀行为。..重要研究结果：.（1）为在量子理论构架下大规模计算研究W基材料的非平衡态性质提供了新的理论方法；（2）揭示了第一壁W材料在高能粒子辐照下，结构缺陷演化时的瞬时力学性质和热输运行为与缺陷密度的关系；（3）探讨了高能粒子辐照诱导的W表面区原子溅射的规律，为实验上降低原子溅射率提供了可供参考的表面几何结构的最优化的建议；（4）模拟了WCu功能梯度区域中的原子化微结构，获得了在W与Cu不同配比时的力学性质；（5）发现在非平衡态下W中电子温度为20000K时W的熔点比平衡态下的熔点低了约400K。并且指出第一壁材料在受高能粒子辐照导致的肿胀现在主要源于辐照诱导的电子非平衡态分布。. .意义：. 发展了新的理论计算方法；研究结果加深了人们对第一壁W材料在服役过程中处于非平衡态时力学、热力学、热输运性质演化的理解。