从晶界耦合运动研究聚变用钨基材料辐照损伤的自修复机理

The extreme irradiation conditions in future advanced nuclear energy systems such as the Gen-IV fission reactors and fusion reactors pose serious challenge to the ultimate application of nuclear materials. Self-healing of irradiation damage is considered to be one of the most important solutions to the critical materials problem facing the advanced nuclear energy systems. As an efficacious mechanism to accommodate plastic deformation, shear-coupled grain boundary migration (SCM) can be utilized to facilitate the self-healing of radiation damage at the atomic scale. Up to now, no systematic study has been done on the SCM-based self-healing mechanisms in complex defect situations. In this project, the most promising material in future nuclear fusion reactors, tungsten (W), is selected as our study object. Using molecular dynamics in combination with first-principles methods, we will systematically investigate the physical mechanism of SCM, the effect of radiation-induced point defects and impurities on SCM and how impurities influence defect recombination during SCM in W. Based on these results, we will reveal the self-healing mechanisms from the perspective of SCM and propose a practical approach to realize the self-healing capability for materials under extreme irradiation conditions. This project is expected to provide useful guidelines and references for the design and development of high-performance radiation-resistant/self-healing metallic materials in future advanced nuclear energy systems.

第四代裂变反应堆、聚变堆等未来先进核能系统极端辐照条件对材料的最终应用提出了巨大的挑战，材料辐照损伤的自修复被认为是解决未来先进核能系统关键材料问题的重要途径之一。晶界耦合运动是一种重要的塑性形变机制，通过晶界耦合运动可促进辐照缺陷的复合，从原子尺度上实现材料辐照损伤的自修复,目前尚缺少系统研究。本项目以未来聚变堆应用的钨基材料为研究对象，应用分子动力学和第一原理方法，系统研究钨中晶界耦合运动的微观机制、辐照点缺陷（空位与自间隙原子）和杂质（氢与氦）对晶界耦合运动的影响、以及这些杂质对晶界耦合运动过程中缺陷复合的影响，从晶界耦合运动的角度揭示钨中辐照损伤的自修复机理，并给出实现聚变堆极端辐照条件下钨基材料辐照损伤自修复的可能途径，以期为聚变堆乃至未来先进核能系统高性能抗辐照金属材料的设计与研发提供理论指导和参考依据。

聚变堆等未来先进核能系统极端辐照条件对材料的最终应用提出了巨大的挑战，材料辐照损伤的自修复被认为是解决未来先进核能系统关键材料问题的重要途径之一。晶界耦合运动是一种重要的塑性形变机制，通过晶界耦合运动可促进辐照缺陷的复合，从原子尺度上实现材料辐照损伤的自修复。本项目以未来聚变堆应用的钨基材料为研究对象，应用分子动力学和第一原理方法，系统研究了钨中晶界耦合运动的微观机制、辐照点缺陷和杂质对晶界耦合运动的影响、以及这些杂质对晶界耦合运动过程中缺陷复合的影响，从晶界耦合运动的角度揭示了钨中辐照损伤的自修复机理，并给出实现聚变堆极端辐照条件下钨基材料辐照损伤自修复的可能途径。. 研究表明，取决于晶界特性，钨中晶界耦合运动有两种晶界位错运动模式：<100>模式与<111>模式，且前者的剪切强度远大于后者。在不同温度下，以<100>模式进行迁移的晶界在耦合运动过程中可通过发生结构转变转换运动模式，从<100>模式转变为<111>模式。进一步研究发现，晶界是空位、自间隙、氢、氦点缺陷的有效沉积区域。晶界中的自间隙是基于位错的，自间隙的加入引起晶界位错“jog”的形成。晶界运动的临界应力由空位或间隙氢氦或氢氦空位团簇的阻碍作用、晶界“disconnection”的促进作用以及jog的促进作用之间的协同与竞争决定。具体而言，取决于晶界类型，自间隙与空位可降低或提高晶界的临界应力；间隙氢氦杂质总是提高晶界迁移的临界应力。此外，自间隙与空位不会影响晶界迁移的机制，而高浓度间隙氢氦杂质会导致晶界从耦合运动向纯滑移转变，原因是高浓度氢氦会引起晶界几何结构的破坏。此项研究暗示，晶界耦合运动的自修复机制在聚变堆中将受制于氢氦空位团簇的低迁移能力而很可能无法得到有效实施，但氢氦的存在很可能对于纳米晶体在辐照下的晶粒生长具有抑制作用。本项目为聚变堆乃至未来先进核能系统高性能抗辐照金属材料的设计与研发提供了理论指导和参考依据。