哈氏合金抗中子辐照特性评价及成分优化的原子模拟

Molten salt reactors with high thermal efficiency, high electric power, low operating pressure, high security features, is focusing on the development direction of advanced fission reactors. Structural material is a key component of molten salt reactor, the main candidate materials are Hastelloy series. High doses of neutron irradiation may result in significant changes of microstructure, and causing swelling and worsening ductility for Hastelloy, which seriously affect the operation of life and safety of molten salt reactors. Currently, because of lacking research on the performance evaluation for anti-radiation, carrying out the anti-radiation performance evaluation for Hastelloy is necessary. Aiming on the main component of Hastelloy (Ni, Mo, Cr) used in thorium-based molten salt reactor, this project will build and optimize the interatomic potentials of these component and typical alloys (Ni-Mo, Ni-Cr, Ni-Mo-Cr), and study the behavior of neutron irradiation through multi-scale simulation methods. Exploring the dependence of the alloy composition, temperature, irradiation collision cascade, and the primary collision atomic energy on the radiation dose rate of defects, defect type, defect cluster structure evolution, and the swelling rate after irradiation, the comprehensive evaluation of anti-radiation of Hastelloy will perform and components optimized to provide theoretical guidance for the selection and optimization of molten salt reactor structural materials.

熔盐堆具有高热效率、高电功率、低运行压力、高安全性等特点，是先进裂变反应堆的重点发展方向。结构材料是熔盐堆的关键部件，主要候选材料为哈氏合金系列。高剂量中子辐照可能导致哈氏合金微结构发生重大变化，从而引发肿胀、脆化、延展性下降等性能恶化问题，严重影响熔盐堆的运行寿命和安全性。目前针对哈氏合金抗辐照性能评价的研究非常缺乏，开展哈氏合金抗辐照性能评价的研究很有必要。本项目针对钍基熔盐堆结构材料哈氏合金的主要组元（Ni、Mo、Cr），构建并优化这些组元和典型合金（Ni-Mo、Ni-Cr、Ni-Mo-Cr）的原子间相互作用势，通过多尺度模拟方法系统研究其中子辐照行为，探讨合金成分、辐照级联碰撞时的温度、初级碰撞原子能量、辐照剂量对缺陷产生率、缺陷类型、缺陷团簇结构演化等的影响规律及其与辐照后材料体积肿胀率的量化关系，综合评价哈氏合金的抗辐照性能并实现成分优化，为熔盐堆结构材料的选择与优化提供指导。

本项目构建了Ni、Mo、Cr的元素势以及Ni-Mo、Ni-Cr、Mo-Cr合金势并对这些势函数进行了检验。测试结果表明，这些势函数能很好地重现所检验的物理量。模拟研究了Ni，Mo，Cr纯元素及其合金的离位级联过程，分别探究了温度和PKA能量对级联结果的影响。对于纯Ni体系，温度对辐照稳定后缺陷数目的影响很少，而PKA能量对缺陷数目的影响比较大；在研究的五个能量下，镍中缺陷的存活率都在20%左右；淬火之后，70%左右甚至更多的空位原子以单空位的形式存在，最大的空位团簇出现在40keV时，其包含了8个空位；当能量大于10keV时，淬火后间隙原子团簇占50%以上，最大的间隙团簇出现在40keV时，其包含了20个间隙原子；通过OKMC退火模拟，发现在高温条件下产生的缺陷比低温下的缺陷更加稳定，在低能情况下几乎所有的缺陷发生复合。但是当PKA能量高于20keV时，会残留一大部分缺陷。对于纯Mo与纯Cr体系，缺陷的数目峰值随EPKA增大而增加且EPKA值越大，到达离位峰所需的时间越长；在碰撞过程中，会产生子级联碰撞区。到级联碰撞稳定阶段时，形成的缺陷主要有单空位、自间隙原子、空位团簇、间隙团簇和沿<111>取向的间隙哑铃状结构；稳定状态下的缺陷数目值相比NRT模型的理论预测值要大且PKA能量对缺陷产生率的影响比辐照初始温度显著；在退火过程中，由于间隙团簇和空位团簇在迁移性和尺寸上的差异，导致了几个不同的复合阶段的存在。我们还研究了温度、PKA能量以及杂质浓度对合金体系的辐照结果的影响。研究分析可得出如下结论：缺陷数目随着PKA能量的增加而增加，能量越高产生离位峰所需的时间越长；辐照温度在PKA能量较高的情况下对离位级联产生较显著的影响；在能量、辐照温度以及PKA方向都相同的情况下，缺陷对的数目都是随着杂质在合金中的含量的增加而增多。