纳米结构核材料离子束辐照的三维蒙特卡洛模拟

Nanocomposite structural materials are the most promising candidates at present for the nuclear structural materials with high radiation resistant, high strength and sufficiently high stability. The study of primary radiation damages of materials under ion beam irradiation is the key to understand their high anti-radiation performance. Considering the complexity of constraints, the difficulties in experiments and the purpose to shorten research periods, it is very important to perform related theoretical researches on these underlying issues. Based on the fundamental physics of ion-solid interaction and radiation damage processes, new primary damage effects in nanostructured nuclear materials under ion beam irradiation will be studied quantitively in this project. An accurate, efficient and universal 3D Monte Carlo model will be developed based on the standard SRIM databases, fast database indexing technique and MPI parallel algorithm as well as 3D structural algorithms of Constructive Solid Geometry/Finite Element Triangle Mesh methods, which can provide a general theoretical approach to analysis the primary damage processes and the corresponding 3D distributions of defects in nanostructured materials under ion beam irradiation. The results will directly provide theoretical support and forecast for the multi-scale radiation damages and service behaviors of complex structural nuclear materials, which would promote the development and application of advanced nuclear materials dramatically.

纳米复合结构材料是目前最具潜力的高抗辐照、高强度和足够高稳定性的核结构候选材料，研究其在离子束辐照下的初级损伤问题是揭示材料高抗辐照性能的关键。鉴于制约因素的复杂性，实验上的困难以及为了缩短研究周期，相关基础问题的理论研究至关重要。本项目将从离子与固体相互作用和辐照损伤等的基础物理出发，定量地探究纳米结构核材料在离子束辐照下初级损伤的新效应。拟基于标准的SRIM数据库，快速数据库索引技术和MPI并行算法以及实体结构几何法/有限元三角形网格法的3D结构算法，建立精确、高效和普适的三维Monte Carlo模型，为纳米结构核材料离子束辐照的初级损伤过程及其三维空间分布提供一般理论分析方法。其结果将直接为复杂结构核材料的多尺度辐照损伤及服役行为提供理论指导及预测，极大地促进先进核材料的发展与应用。

探索纳米结构核材料在高能粒子辐照下初级损伤的新效应是揭示其跨尺度损伤行为和高抗辐照性能的关键。传统的材料离子辐照MC模型只能描述块体或多层膜等简单1D结构体系，材料中子辐照MC模型也很难描述多级级联损伤的局域细节。基于离子/中子与固体相互作用等物理基础和高效的数值算法，采用数据库索引技术取代传统的迭代算法快速抽样弹性散射角，发展实体结构几何法和有限元三角形网格法构造任意复杂3D结构体系，并率先扩展中子源PKA嵌入模块和加速级联退火模型，自主开发了准确、高效和普适的三维MC开源软件，为快速模拟离子/中子辐照下复杂材料初级缺陷产生和弛豫动力学提供了新的研究手段。IM3D在保持与著名的SRIM软件（年均引用>700）相同精度的同时，突破了材料3D结构通用性、组分多样性、过程完整性以及计算效率的限制（提升> 4个数量级），可在分钟以内快速获得离子/中子辐照任意复杂材料下各种初级缺陷等的三维空间分布。利用IM3D探究了纳米结构核材料高能粒子初级辐照损伤的系列关键问题，实现了与SRIM和MD的定量对比验证，并给出了系列重要结果：纳米尺寸效应决定着纳米结构材料与块体大相径庭的初级辐照损伤行为；表面粗糙导致的离子辐照反照率效应会加剧面向等离子体材料中的离子初级滞留和表面重构，但有利于降低材料的离子表面溅射；发表SCI学术论文12篇，自主开源软件1个，做国内外会议邀请报告6次。这为直接从等离子体与固体相互作用的角度探讨聚变堆材料中的氢氦滞留和辐照损伤等实际问题提供了新的思路。