辐照引起的热应力下钨中氦泡形成与演化的相场模拟

Numerous helium (He) bubbles are generated in a metal during neutron irradiation, leading to microstructure change and mechanical properties degradation. Although irradiation-induced stress accelerated He bubble growth has been revealed by experiments, there is still absent systemic study on the formation mechanism of He bubble at the mesoscopic spatial scale and long time scale. Here, we propose to investigate the effect of irradiation-induced stress on the growth and coarsening of He bubbles in micron-sized tungsten by developing a model integrating rate theory and phase field method. We aim to clarify the influence of irradiation-induced stress on the incubation, formation and coarsening of He bubbles in a comparative manner. In addition, the effect of He bubbles on the thermal conductivity of tungsten is also studied. This theoretical work will provide useful insights in understanding the irradiation damage mechanism of tungsten and offering guidance for the design and development of pure tungsten and tungsten-based alloys in the fusion reactors.

聚变堆面向等离子体材料须承受极端的辐照环境，特别是氦泡与堆内热应力共同作用，会促使材料力热性能退化。尽管辐照引起的热应力导致氦泡加速生长已被实验揭示，但该条件下氦泡形成的微介观机理尚缺少系统的理论研究。本项目以体心立方微米晶钨为研究对象，基于自主开发的相场模型并结合速率理论，通过对比考察有无热应力及不同大小热应力下氦泡演化动力学行为和形貌特性的差异，阐明热应力环境下钨中氦泡孕育、形成和粗化的微介观机理，并探讨氦泡对热导率变化的贡献。上述研究对于深入理解钨中氦泡形成机理与演化规律有着重要的科学意义，同时也可以为核聚变堆用钨及钨基材料的设计与研发提供理论指导和参考依据。

W因其高熔点、高热导率、低溅射率等优点，被视为聚变堆面对等离子体材料的候选材料之一。堆内高温、强辐照等极端环境，特别是高能粒子与固体材料间相互作用，会导致材料内部产生不同类型辐照缺陷（如He泡），改变材料形状、性能。因此，探究金属W在辐照-热-力多物理场时空尺度下微结构演化及其热导率变化是理解材料辐照损伤的关键环节。本研究采用相场法，结合速率理论，考察了有无热应力和不同大小热应力下空洞/He泡尺寸、密度、形状及分布的差异，以及晶界与辐照点缺陷和气体原子间相互作用导致的空洞/气泡演化行为。研究发现气泡生长速率在外应力方向明显加快，从而导致气泡提早进入粗化阶段，导致气泡联通。相比之下，其他方向气泡生长速度受到明显抑制。随着外应力的增大，更多的气泡在晶内形成；而在粗化阶段，由于奥氏熟化和气泡联通的发生，促使气泡数量急剧减少。多晶W中，气泡会优先在三叉晶界形成。除了He泡微结构演化，我们还研究了He泡对材料热导率的影响。研究表明：类椭球形空洞（He泡）相较于其他形状空洞（He泡）对热流传递作用表现出各向异性特点；He气气体内压对含He泡的金属W热导率影响不明显。上述研究结果可以为研发高性能抗辐照面对等离子体材料W及其合金提供重要的理论指导和参考依据。