铁素体钢中氦团簇生长的各向异性调控的基础问题

低活化铁素体钢与常规不锈钢相比具有抗辐照和低活化特性，因而成为人们寄予厚望的可用于核聚变反应堆的候选结构材料。进一步提高其力学性能的有效途径之一是克服或抵制氦原子聚集而成氦泡（气体肿胀）从而引起氦脆。我们的目标就是寻找理想的合金元素，有效钉扎钢中的氦原子以抵制它的迁移。在理论计算方面，纯铁中的氦与基体元素和空位的相互作用已经研究地比较透彻：氦原子的能量状态主要决定于它所处位置的价电子密度。这样，我们的候选原子或原子复合单元（比如碳－碳、碳－铬原子对）就必须与基体铁原子成键呈现各向异性；否则，在它的周围将钉扎三维氦原子团簇从而起不到阻止氦泡形成的作用。我们计划通过量子力学第一原理计算，首先仔细研究在有铬和无铬作为近邻的情况下，碳－碳原子对在铁中空位处的成键特征及其对氦原子的迁移能和汇聚能的影响；揭示氦团簇早期生长特点和局域价电子密度的各向异性之间的关系；然后据此预言和寻求符合要求的合金元素。

低活化铁素体钢与常规不锈钢相比具有抗辐照和低活化特性，因而成为人们寄予厚望的可用于核聚变反应堆的候选结构材料。进一步提高其力学性能的有效途径之一是克服或抵制氦原子聚集而成氦泡（气体肿胀）从而引起氦脆。我们最初的目标是通过量子力学第一原理计算，寻找理想的合金元素，有效钉扎钢中的氦原子以抵制它的迁移。但经过第一年对bcc铁中He－He相互作用和He与其它合金元素与杂质的相互作用的大量研究，我们认识到定向控制He泡的生长非常难以实现。这主要是因为He-He的吸引比它和其它所有试探过的添加元素的相互作用更强。因此，我们接下来的重点放在对氦泡的生长的各向同性的抑制。..因为Cr是钢中最重要的合金元素之一，所以我们首先开展了对Cr的计算研究。虽然体相浓度达到10%左右铬才在bcc铁的自由表面有微弱的偏聚，实验发现bcc铁中氦泡表面有明显的铬的偏聚。我们的计算支持实验结果，Cr的特性启发了我们寻找既能偏聚到氦泡表面，又能抑制氦泡长大的合金元素的方向。我们运用第一原理计算预言了Au在bcc Fe中也有类似Cr的效果。由于Au-He间强烈的吸引作用，在He泡周围可能会形成Au原子层。Au间隙区价电子密度高于Fe-Fe和Au-Fe之间的价电子密度，从而使得He原子较难穿过。因而，包裹He泡的Au原子层将会抑制He 泡的长大，延迟结构材料的失效。沿着这一思路，我们通过计算找到了成本低廉的Au的替代元素：Ce。..此外，我们还研究了bcc Fe体相中在受中子辐照后的Fe合金中He对X析出的初始阶段的影响。不论是替代位的He还是间隙位的He都对溶质原子有强烈的吸引作用，促进成团。除了完美晶体我们还研究了He在Fe的晶界上的行为。H和He在体相中的相互吸引引起的穿晶断裂程度减弱，而二者在晶界处的相互排斥则加剧了沿晶断裂。低活化马氏体钢的重要成份Cr, Zr, Ta, V, 和W都会在Fe中的晶界处发生偏聚，因而和晶界处的He相互作用。除Zr之外，其余4种元素都抑制He到晶界的偏聚，并且这四种元素中Cr加强了He对晶界的脆化，而Ta、V和W减弱了He对晶界的脆化。因此，Ta和W既能抑制He在Fe晶界处的偏聚，也能减弱He对晶界的脆化作用(V的效果与Ta、W相比较弱)。其中，以W的效果最为明显。所以，适当增加W的含量可能有助于降低