聚变材料体心立方金属辐照损伤缺陷演化动力学模拟

Elucidating the physical process and microscopic mechanism during neutron irradiating materials is one of important steps to realize the use of fusion power in the future. Here we propose to perform a molecular dynamics simulations of the irradiating defect damage effects caused by neutron irradiation in Plasma-Facing Materials (PFM) W and structural materials Fe. The growth process of vacancy and self-interstitial atom (SIA) defects damage are simulated. Meantime, the related mechanism of defects life should be analyzed , especially for the quasi equilibrium development of vacancy clusters/interstitial displacement. The interaction between H/He impurities and displacement damage in the PFM will be in-depth discussion. The research of the irradiating damage for PFM W and structural material Fe are totally complementary motivating the present nuclear material development.

研究聚变环境下中子辐照引发的材料中各种物理过程和微观机理是未来核聚变能实现的重要环节之一。本项目采用分子动力学计算方法，系统研究高能粒子辐照对面向等离子体材料W和结构材料Fe的辐照缺陷损伤效应。课题将对体心立方金属W及Fe中“空位-间隙”形成的缺陷生长过程进行模拟计算，对空位团/间隙位错的准平衡态发展演化过程以及缺陷寿命等相关机理分析研究；同时还将对材料离位损伤缺陷与H/He杂质的相互作用进行讨论，研究杂质对材料缺陷稳定性的影响及规律。本研究为聚变材料的选择设计提供重要的理论参考依据。

对聚变用第一壁材料中子辐照引发的缺陷微观结构演化进行第一性原理结合分子动力学模拟计算研究。对辐照作用下可迁移空位团/间隙原子团的准平衡态演化过程机理以及W合金与缺陷相互作用等进行研究。主要包括：. 辐照作用下材料离位损伤产生演化过程动力学计算。应用分子动力学结合第一性原理计算方法模拟辐照作用下体心立方W中产生的晶体点缺陷产生形成过程，离位阈能的计算、间隙原子结构稳定性的系统讨论。对与<111>间隙构型非常接近的<11h>构型存在性作出物理机理解释。高温退火过程中点缺陷的复合、扩散动力学研究。包括对Frenkel缺陷对的形成和迁移复合计算，复合区域及扩散系数的温度效应，为点缺陷复合机制完成前期基础。发现111型间隙原子与空位的复合区域为一个空间椭球，且该椭球半径随反应温度升高而增加。. 计算钨拉伸弹性形变、塑性形变、强化形变和断裂等四个阶段。得到杨氏模量、屈服应变和屈服应力。塑性形变时生成的FCC和HCP结构的能量高于BCC结构，并使系统保持较低的应力水平。在塑性形变后期，长程有序周期结构孪生带的生长，使系统应力呈周期性振荡变化。在强化相持形变阶段，镶嵌在孪生带HCP结构中的其它无序结构在应力作用下生长，产生孔洞产生并吸收能量，使系统晶格断裂。. W基合金元素对空位缺陷迁移影响研究。考查合金元素对空位、间隙的作用机制。发现合金元素对空位的迁移均表现为较有利的作用，其中Zr合金元素对空位的影响较为明显，迁移阈能仅为0.859eV。通过有效体积的方式解释空位迁阈能，且发现Ta的浓度增加对空位表现更为有利的作用。W合金中间隙结构稳定性。通过哑铃对形成能发现，Re、Zr作为间隙原子时具有<110>哑铃对稳定结构，而Ta、Hf、Mo、Nb作为间隙结构时<111>哑铃对具有更加稳定结构。Re更加有助于自间隙结构迁移，Hf有助于Hf-W哑铃对迁移。. 结论为探索辐照缺陷产生机理、提高W基合金抗辐照性能提供理论基础，为未来我国聚变材料设计及性能评价指标做出参考。