实验时间尺度下纳米晶铁抗辐照损伤性能模拟研究

It not only has grat significance and but also is a big chanllenge to design nuclear materials that can sustain a large amount of radiation damage or to find the optimal working window of nuclear materials. Nano-crystallines generally exhibit radiation-resistance, however, the radiation response of which depends on irradiation conditions (temperature and dose) and grain size, indicated by expreiments. We intend to perform "Atomistic Simulations of Radiation-Resistance in Nano-Crystalline Fe at Experimental Time Scales". The bcc Fe is selected as the main model system and the temperature-accelerated dynamics is combined with classical molecular dynamics, molecular statics, and activation energy spectra. The atomic process will be revealed involved in the damage and healing of nano-crystalline Fe; the microscopic picture about the dependence of the radiation response on temperature, dose and grain size will be clarified. A window in the parameter space of temperature, dose and grain size will be sketched out, in which materials show best radiation tolerance. The work will be served as a guide to the design and development and evaluation of radiation resistant materials.

设计能承受大剂量辐照损伤的核结构材料或找到材料具有最佳抗辐照性能的工作窗口不仅具有重要的意义，也是一个巨大的挑战。纳米晶材料通常呈现出较好的抗辐照性能，但并不是在任何条件下的抗辐照性能都好。实验表明纳米晶/多晶材料的辐照响应与辐照条件（温度和辐照剂量）和晶粒尺寸等因素有关。本课题拟开展"实验时间尺度下纳米晶铁抗辐照损伤性能模拟研究"。以bcc-Fe为主要对象，以跨时间尺度的温度加速的分子动力学为主要模拟手段，结合经典分子动力学、静态计算和激活能谱分析等方法或技术，研究纳米晶铁辐照损伤与修复的结构演化及其动力学过程，澄清多晶和纳米晶材料辐照响应与晶粒尺寸、温度和辐照剂量依赖关系的微观图像。最终在晶粒尺寸、温度和辐照剂量等参数空间中寻找材料抗辐照损伤的最佳运行窗口，为设计、研发和评估抗辐照材料提供有实际意义的信息或数据。

由于纳米晶中辐照缺陷微结构演化涉及辐照缺陷跨时间和空间尺度上的扩散、偏聚、团簇化和复合等过程，实验时间尺度上纳米晶铁辐照损伤自修复机理进展缓慢。本项目开展实验时间尺度下纳米晶铁抗辐照损伤性能模拟研究。以体心立方铁中典型晶界为研究对象，以温度加速动力学方法（TAD）为主要模拟技术，结合晶界分子动力学（MD）和静态计算（MS），研究了纳米晶铁中辐照缺陷与晶界在不同时间和空间尺度上作用机理。主要研究内容和结论如下：（1）采用MD和MS系统研究铁晶界附近缺陷产生规律和点缺陷的能量学、动力学行为。研究发现，在辐照过程中晶界通过原子链取代过程优先吸收自间隙原子，在晶界附近留下空位/空位团簇。（2）采用TAD考察初始损伤结构在长时间尺度下的行为。研究发现晶界附近缺陷靠形成能和扩散能垒均有所降低。间隙与晶界之间有更大的结合能、更宽的作用范围和更低的扩散能垒。晶界吸收间隙后，围绕自间隙原子形成空位-自间隙自发复合区域。在此区域之外，空位与自间隙通过空位扩散与间隙发射的耦合的低能垒复合。自间隙原子的局域激发诱导复合区域向邻近区域拓展或传播。提出了“发射阻力”（势阱深度除以势阱半宽度）表征间隙原子从缺陷阱处发射的难易程度。研究还发现，辐照诱导的自间隙原子团簇缺陷在靠近局域紧凑的晶界结构时被反射进晶粒内部，可与晶粒内部空位进行复合。晶界除了作为点缺陷的阱外，还可以作为小型空位团簇的阱。（3）研究不同时间和空间尺度下缺陷扩散、复合行为，评估纳米晶铁辐照响应对温度、辐照剂量和晶粒尺寸等依赖关系。鉴于TAD方法在空间尺度上的局限性，还开发了动力学蒙特卡洛方法（KMC）。研究发现空位-自间隙对除了在块体中复合外，还可通过优先偏聚在晶界处的自间隙原子沿晶扩散而复合晶界附近的空位。该项研究工作获得了铁纳米晶微观和宏观的辐照损伤自修复图像。对于认识与理解晶界在辐照损伤自修复过程中的作用具有重要的学术意义和工程参考价值。