液态锂腐蚀对铁力学性能影响的多尺度分析

The corrosion of liquid lithium on structural stainless steel has been a critical issue of fusion reactors for over three decades. The modification of the microstructure caused by corrosion will significantly change the macroscopic mechanical properties of stainless steel and challenge the safety of fusion devices. Up to now, the undergoing mechanism is still not well understood. Therefore, we present this proposal where the atomic interaction potential between Li-Fe will be constructed and used to simulate the microscopic process of the corrosion of lithium on α-Fe. The defects inside α-Fe grains and lattices will be traced. The influence of external environmental factors, such as temperature and the velocity of flowing liquid lithium, as well as the internal factors, such as the lattice structure, grain boundaries and impurities, will be analyzed to reveal the micro-mechanism of corrosion. Meanwhile, the multi-scale modelling of α-Fe material containing corrosive defects will be performed by employing the concept of representative volume element. A new multi-scale method connecting molecular dynamics and finite element method will be developed. Through this method, the macroscopic mechanical behavior of α-Fe under classic loads will be simulated. The Young's modulus, yield stress, fracture toughness and fracture stain will be computed. The mechanism of how corrosion of Li influences the mechanical properties of α-Fe will be investigated. The purpose of this project is to provide scientific support for application of liquid lithium divertor in future fusion devices.

聚变堆环境下，液态锂对结构材料不锈钢的腐蚀一直是被广泛关注的问题。腐蚀可引起材料微观结构的变化，进而影响材料的宏观力学性能，给聚变装置的安全性带来严重威胁。目前相关研究尚不充分。鉴于此，本项目拟以α-Fe为研究对象，在构造Li-Fe相互作用势函数的基础上，对Li-Fe相互作用的微观过程进行数值模拟，分析温度、液态锂流速等外界环境因素以及α-Fe晶体结构、杂质等内在因素对腐蚀过程的影响规律，探索液态Li腐蚀α-Fe的微观机理；利用代表体积元的概念，对含腐蚀缺陷的α-Fe进行多尺度表征和建模，通过发展新的分子动力学/有限元耦合多尺度计算方法，模拟分析腐蚀后α-Fe在典型工况下的力学行为，计算弹性模量、屈服应力、断裂韧性、断裂应变等关键力学参数，揭示腐蚀对α-Fe宏观力学性能的影响规律和内在机制。目标是为聚变装置中液态锂偏滤器的工程应用提供科学依据。

偏滤器是磁约束核聚变装置中直接面向高温等离子体的核心部件之一，目前工程上所采用的固体偏滤器都在一定程度上存在难以克服的缺点，例如物理化学溅射、氚滞留等。液态锂(Li)偏滤器已被证实具有许多固态偏滤器所没有的优点，可以解决大部分未来聚变堆所面临的难题。然而，作为具有一定化学活性的金属，液态锂对大部分金属材料都具有一定的腐蚀作用，包括被广泛应用的不锈钢。本项目以此为背景，采用数值模拟的方法，对锂铁之间的相容性进行了深入研究。首先，我们基于改进分析型嵌入原子方法构建了锂铁原子之间的相互作用势函数，在此基础上对液态锂与不同晶格取向的α-Fe表面的稳定性和相容性进行了计算分析，结果表明相比于Fe(111)晶面，Fe(100)和Fe(110)晶面具有明显更好的稳定性和耐腐蚀性。此外，采用相同的势函数，我们对锂原子在α-Fe晶界处的动力学行为进行模拟分析，揭示了其在不同晶界中的扩散模式。其次，我们采用基于密度泛函的第一性原理计算了锂原子在α-Fe晶格中的占位情况和扩散规律，以及与空位、自填隙原子等点缺陷的相互作用，结果显示锂在α-Fe晶格中最稳定的位置为置换位，考虑到锂原子的体积比铁原子还要大，这一结果是可以预见的，在所有填隙位置中，<111>哑铃位最稳定，系统的分析证实，决定填隙位置能量高低的关键因素是锂原子所受的静水压力。同时，计算结果表明置换锂原子在α-Fe晶格中与空位和自间隙原子都具有强吸引作用，与空位的吸引作用会引起锂原子的扩散，与自间隙原子的结合将完成从置换原子到填隙原子的转换。不幸的是，我们构建的势函数在描述含缺陷的α-Fe的断裂力学行为时存在较大偏差，为了构建更加精确的势函数，我们对新兴的人工神经网络势函数开展了一定的研究，结果表明，此类势函数可大大提高分子动力学的计算精度。本项目的研究成果将有助于从原子层面更好的理解液态锂腐蚀α-Fe的微观机理。