表面微结构对钨中氢氦滞留行为影响机制的团簇动力学研究

The change in surface microstructures of materials and its effects on H/He dynamic behavior are the key factors for investigating issues of plasma-facing materials (PFMs) in fusion reactors like surface erosion, H/He retention and T inventory, etc. Considering the complexity of constraints and the difficulties in experiment, it is thus vital important to perform related theoretical researches on these basic issues. This project mainly starts with the fundamental physics of ion/neutron-solid interaction and micro defect dynamics, and aims to develop a spatial-resolved multiple-defect cluster dynamics model (SMCD) based on the rate theory, diffusion theory and development of high efficient numerical algorithms. Through combining with a parameter-transfer based sequential multi-scale modeling framework, the dynamic evolution of defects and H/He retention in complex W-based materials will be investigated under high-temperature plasma irradiation. The influence mechanisms of surface microstructures on H/He retention behavior in W will thus be quantitatively revealed with comparing with experiments. The results will provide theoretical support and forecast for radiation damage and H/He effects in PFMs under practical plasma conditions directly.

材料表面微结构的改变及其对氢氦动力学行为的影响是探究核聚变面向等离子体材料的表面侵蚀、氢氦滞留和氚自持等问题的关键。鉴于制约因素的复杂性和实验上的困难，相关基础问题的理论研究至关重要。本项目从离子、中子与固体相互作用和微观缺陷动力学等基础物理出发，拟基于速率理论、扩散理论和高效数值方法的发展建立空间分辨多元缺陷团簇动力学模型（SMCD），并结合参数传递的顺序多尺度模拟框架研究高温等离子体辐照下典型钨表面微结构（预辐照损伤和多离子共沉积，杂质/合金元素，表面晶向、界面和阻挡层等）中缺陷的动力学演化过程和氢氦的滞留分布。通过与实验的直接对比验证，定量地揭示表面微结构对钨中氢氦滞留行为的影响机制。其结果将直接为实际等离子体环境下面向等离子体材料的辐照损伤及氢氦效应提供理论指导和预测。

解决聚变堆面向等离子体材料的表面侵蚀、氢氦滞留和氚自持等问题的关键在于从理论上阐明材料表面微结构的改变及其对氢氦动力学行为的影响规律。其复杂性在于多种制约因素的影响和跨尺度模型间的耦合。本项目通过计及级联内缺陷的空间关联效应，并提出微结构捕获强度的通用理论描述，重点发展了空间分辨多元缺陷团簇动力学模型（SMCD）。并结合材料离子/中子初级辐照损伤模拟的三维Monte Carlo并行开源软件（IM3D）的深入扩展以及微结构与缺陷相互作用性质的原子尺度（DFT/MD）高通量计算，构建了参数传递的顺序多尺度模型框架。由此模拟研究了高温等离子体辐照下典型钨表面微结构中缺陷和氢氦的协同动力学演化行为，获得了与实验定量一致的氢氦滞留分布。揭示了典型表面微结构（预辐照损伤和氢氦协同，表面晶向和晶粒尺寸，嬗变元素、固溶原子和fuzz结构等）对钨中氢氦滞留影响的基本规律；提出了减轻预辐照损伤、降低扩散/吸收偏压、使用粗粒晶以及合理选取表面晶向等是钨基材料抗辐照性能提升和氢氦滞留降低的重要途径；从而最终给出了同时满足高抗辐照性能、低氢氦滞留、高热稳定性和高强度的新型钨基面向等离子体材料的理论设计建议。发表SCI论文19篇，中国软件著作权2个，做国内外会议邀请报告9次，开发自主软件3个、缺陷演化多尺度模拟平台1个。项目实现了“揭示表面微结构对钨中氢氦滞留行为的影响机制”的既定总体目标，为从微观角度分析和预测复杂钨基材料材料在真实核聚变高温等离子体环境下的氢氦效应提供了理论依据。