氦在钨中扩散、融合和释放的多尺度模拟

As the armor material for the divertor plates in the International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), the tungsten is subjected to low energy and high flux helium plasma bombardment. The aggregation of helium can degrade the mechanical properties of materials. On the other hand, the release of helium may disturb the plasma uniformity. In this project, the diffusion, coalescence and release of helium in tungsten will be investigated by molecular dynamics and kinetic Monte Carlo simulations. These studies are important in clarifying the coarsening and release mechanisms for helium bubble in tungsten. The innovation spots of this project are: (1) A comprehensive study of the interaction between helium and grain boundaries in tungsten; (2) The simulation of diffusion for large helium clusters; (3) The calculation of the dissociation energies of helium clusters can provide reasonable explanations for the He thermal desorption peaks in experiment; (4) A multi-scale simulation of the evolution of helium in tungsten.

钨作为国际热核聚变实验堆（ITER）中偏滤器部分的护甲材料，将长时间受到大量低能氦离子流的轰击。氦的聚集将影响钨的结构性能和使用寿命，氦的释放可能造成等离子体污染，干扰聚变过程。本项目拟通过分子动力学和运动学蒙特卡罗方法，模拟氦在钨中的扩散、融合和释放行为，逐步阐明氦泡在钨中的演化机理和释放机制。本项目的创新之处是：（1）全面考察氦与钨晶界的相互作用；（2）模拟大尺寸氦团簇的扩散；（3）通过解离激活能的计算，说明热脱附实验中释放峰的来源；（4）多尺度模拟方法相结合。

国际热核聚变实验堆（ITER）中的偏滤器部分受到大量氦离子流轰击，钨因其熔点高、高温性能优异而被选作这一部件的护甲材料。氦倾向于在缺陷处聚集成团簇，从而引起钨表面起泡、肿胀等，使材料性能和使用寿命下降。本项目通过分子动力学和运动学蒙特卡罗方法，研究了氦在钨中特别是晶界和近表面处的行为。具体研究工作包括：（1）用分子动力学方法研究了杂质原子（氦、氢）和钨晶界的相互作用。晶界的影响区域为4 Å，晶界的膨胀和面间滑移有利于缺陷的形成和捕获。杂质原子向晶界扩散的路径与温度有关，其在晶界中的扩散比在块体中慢。氦团簇呈现高度对称构型，并通过发射<111>方向钨挤子列释放能量，晶界中的氦多以团簇形式存在。（2）用分子动力学方法模拟了钨中近表面氦泡的释放及后续表面孔洞的修复过程，考察了表面取向、温度和氦泡深度对作用机理的影响。（3）在蒙特卡罗程序包MCPSCU中加入了氦泡解离和状态方程的模块，并用其模拟了钨退火过程中氦泡的释放行为。实验中的500 K释放峰应来自于小尺寸氦团簇扩散至表面；当考虑解离时，基底中氦泡尺寸随深度变化较小，当达到一定温度时，这些氦泡的解离将形成较尖锐的释放峰。研究结果可为钨中氦泡生长和释放相关的实验提供一定依据和预测。