多晶钨聚变中子离位损伤跨尺度集成模拟研究

The transport of fusion neutrons, primary knock-on atoms (PKAs) and defects at across temporal and length scales is fundamental process that drives the evolution of the microstructure of a plasma facing material (PFM). Due to the lack of fusion neutron irradiation conditions, it is urgent and important to conduct integrated across-scale simulation of fusion-neutron-induced radiation damage by considering these fundamental processes. With poly-crystal tungsten of tungsten-based PFMs as a model system, and object kinetic Monte Carlo (OKMC) and stochastic cluster dynamics (SCD) as main simulation techniques, by establishing the database on the radiation environment (Data1), the database on the defect production (Data2) and interaction (Data3) and retrieving Data1, Data2, Data3, an integrated across-scale simulation framework based on OKMC/SCD will be built to investigate radiation-damage caused by fusion neutrons in the model system. We will investigate the interaction of the displacement damage induced by high energetic fusion neutrons with the grain boundaries (GBs) at different levels of dose. The effect of the segregated defects at the GB on the GB tensile strength will be studied preliminarily. The proposed work is of significance to further establishing a properties prediction model based on the microstructure of neutron irradiation.

面向等离子体材料（PFM）中聚变中子、初级碰撞原子(PKA)和缺陷在各个时空尺度上的累积输运是驱动PFM微结构演化的基本过程。在目前缺乏聚变中子辐照实验条件下，如何通过综合考虑这些基本过程、实现聚变中子离位损伤的跨尺度集成模拟显得尤为重要、紧迫。为此，本项目以多晶钨为研究对象，以实体动力学蒙特卡洛（OKMC）和随机团簇动力学（SCD）为主要模拟方法，建立三类数据库——反映中子辐照信息的PKA产生数据库Data1、初始缺陷产生与分布信息的数据库Data2、缺陷间作用信息的数据库Data3，开发以OKMC/SCD为框架的聚变中子离位损伤演化跨尺度集成模拟软件，通过耦合调用Data1、Data2和Data3，研究多晶钨在不同损伤剂量下中子离位损伤微结构演化过程与规律，初步考察中子离位损伤对晶界拉伸强度等力学性能的影响。拟开展的工作对进一步建立基于微结构演化特征的中子辐照性能预测模型具有重要意义。

面向等离子体材料（PFM）中聚变中子、初级碰撞原子(PKA)和缺陷在各个时空尺度上的累积输运是驱动PFM微结构演化的基本过程。在目前缺乏聚变中子辐照实验条件下，如何通过综合考虑这些基本过程、实现聚变中子离位损伤的跨尺度集成模拟显得尤为重要、紧迫。本项目以多晶钨为研究对象，以实体动力学蒙特卡洛（OKMC）和随机团簇动力学（SCD）为主要模拟方法，建立三类数据库——反映中子辐照信息的PKA产生数据库Data1、初始缺陷产生与分布信息的数据库Data2、缺陷间作用信息的数据库Data3，开发以OKMC/SCD为框架的聚变中子离位损伤演化跨尺度集成模拟软件，通过耦合调用Data1、Data2和Data3，研究多晶钨在不同损伤剂量下中子离位损伤微结构演化过程与规律，初步考察中子离位损伤对晶界拉伸强度等力学性能的影响。. 经过四年的努力，我们发展了SCD模拟方法，设计了新的数据结构。除了开发一般的OKMC模拟程序外，还提出了新的迭代的OKMC（iOKMC），并进行了程序实现。其中Data1和Data2主要基于文献调研完成，而为了构建Data3，我们提出了基于差分进化的团簇基态构型计算方法和基于格点KMC的团簇动力学计算方法，相应地获得了点缺陷及其团簇的结构、能量学和动力学性质，以及缺陷与晶界基本作用参数。进一步研究了多晶钨辐照损伤累积机理，获得了晶界处间隙偏聚诱导的晶界结构相变、空位沿晶运动抑制的空位发射、纳米空洞在晶界处的形态与能量学性质；基于自主开发的模拟程序，完成了中子/离子辐照下微结构演化的模拟，考察了温度、剂量率、晶粒尺寸和晶界结构对损伤累积的影响，并探究了温度与剂量率决定钨/铁辐照肿胀的等效条件关系。开展的工作对进一步建立基于微结构演化特征的中子辐照性能预测模型具有重要意义。