纳米钨晶中氦泡形核和生长的多尺度动力学模拟

The adverse effects induced by surface morphology changes together with nucleation and growth of helium bubbles near surface zone of tungsten material, such as the increase of ductile-brittle transition temperature and plasma pollution, the decrease of thermal conductivity and mechanical strength, have a direct influence on the stable operation of nuclear fusion device. In the simulation, there is a wide development of W-He empirical potential and a lot of research work has been carried out on the nucleation and growth of helium bubbles mechanisms based on atomic scale simulations. However, it is still not clear that how the W-He potential influence on the primary radiation damage induced by helium irradiation on tungsten and the rules of the long-time evolution of nucleation and growth of helium bubbles. Based on constructing the framework of multiscale dynamics simulation with the combination of atomic scale analysis, object kinetic Monte Carlo(OKMC) simulation and experimental verification, this project investigates the effects of W-He empirical potential on the primary radiation damage to determine the most suitable empirical potential for simulation of primary radiation damage. Further studies are focused on the influence of trapping effects of grain boundary on helium (clusters) on two types of nucleation and growth mechanism of helium bubbles(trap mutation mechanism and vacancy-assisted mechanism) in nanocrystalline tungsten in order to clarify the key factors governing the long-time dynamics evolution of nucleation and growth of helium bubbles under different irradiation conditions. The results of this project will be very helpful for the development of new nanocrystalline metals with high stability.

钨材料表面形貌变化和氦泡在近表面区域形核和长大导致钨的韧脆转变温度升高、热导率降低、力学强度降低以及等离子体污染加重等不利影响直接影响核聚变装置的稳定运行。目前在模拟方面W-He体系经验势已有相当的发展，从原子尺度上揭示氦泡形核和生长规律也有许多研究。然而，对于W-He体系经验势对氦辐照钨初级损伤的影响以及氦泡形核和生长的长时间演化规律尚不明确。本项目拟构建原子尺度分析-实体动力学蒙特卡洛模拟-实验验证三者有机结合的多尺度动力学模拟框架，研究W-He体系经验势对氦辐照钨初级损伤的影响以确定最适合模拟氦辐照钨初级损伤的经验势；在此基础上进一步研究纳米钨晶中晶界对氦（团簇）的捕获作用对两种氦泡形核和生长机制（俘获突变机制和空位辅助机制）的影响，阐明纳米钨晶中氦泡在不同辐照条件下形核和生长的长时间动力学演化规律。项目研究成果对于新型高稳定性纳米晶块体金属材料的研发具有重要意义。

钨材料表面形貌变化和氦泡在近表面区域形核和长大导致钨的韧脆转变温度升高、力学强度降低以及等离子体污染加重等不利效应直接影响核聚变装置的稳定运行。目前从原子尺度上揭示氦泡形核和生长规律已有许多研究，然而W-He体系经验势对氦辐照钨初级损伤的影响以及氦泡形核和生长的长时间演化规律尚不明确。本项目研究了钨辐照缺陷（团簇）之间的反应机制，钨高通量大规模分子动力学（MD）级联过程，级联位错环的形成机制及分布特点。在此基础上进一步研究了钨晶粒尺寸对H/He滞留行为的影响。研究结果表明MD所采用的两个经验势产生的缺陷数目非常接近，但当级联能量大于1 keV时，间隙原子团簇尺寸分布和空间分布相差很大；基于MD得到的初级损伤数据库，采用OKMC方法研究了缺陷长时间演化过程，发现间隙原子团簇尺寸偏移会引起单级联内缺陷复合率的差异；基于位错环冲击波挤压形成机制，以及位错环形成数目与级联区域表面积成正比的假设，发现位错环形成量随级联能量成平移幂指数关系；参照原位离子辐照TEM分析结果，通过比较AJ势和DB势在初级损伤所形成的位错环结构特点、数目以及平均直径，可以确定AJ势更适合做钨MD级联模拟；对于低能、低通量的氦离子辐照钨的情况，随着晶粒尺寸下降，位错吸收主导向晶界吸收主导转变，因此建议选择粗晶钨作为实际的面向等离子体材料。该项目建立了比较完备的钨初级辐照损伤数据库和缺陷（团簇）之间以及与表面/晶界之间反应参数的数据库，基于此数据库构建了原子尺度分析-OKMC/团簇动力学模拟（CD）-实验验证的参数传递的多尺度动力学模拟框架，获得了适合描述钨级联损伤的经验势。研究结果不仅可为OKMC/CD预测钨材料内微结构演化提供参数，而且为构造适合模拟初级损伤的经验势提供了思路。项目研究成果阐明了纳米钨晶中氦泡在不同辐照条件下形核和生长的演化规律，对于新型高稳定性纳米晶块体金属材料的研发具有重要意义。