辐照条件下材料缺陷演化机理与性能模拟

The understanding on the radiation damage of materials served in fusion devices is basically related to the understanding on their defects generation and evolution under heat plasma irradiation, which is the key to the material design for the fusion devices. Considering the complexity of irradiation factors, difficulties in nuclear fusion experiments as well as in order to shorten the research cycle, it is very important to perform related theoretical simulations on the underlying issues. By taking into account the fundamental physics of ions-neutron interaction with solid and the micro-mechanism of defect evolution, defects formation as well as their dynamical evolution so that the radiation damages to materials under ions-neutron co-irradiation will be investigated by using multi-scale approaches. The multi-scale simulation schemes, including ab-initio/molecular dynamics/Monte-Carlo/Rate theory for radiation damage – from electronic/atomic scale to mesoscopic scale, will be developed to study the generation, reaction, diffusion and accumulation processes of defects, which can further describe the concentration distributions in time and space of defect clusters with different sizes. By performing high-throughput simulations, we will provide the quantitative understanding at mesoscopic scale which could be the linkage between theoretical simulation and the experimental measured data; hence the information will be more helpful for the requirement to materials in the future fusion device.

在高辐照的极端条件下，材料在高能、高束流粒子（D、T、He 离子和高能中子）协同辐照下的缺陷产生、演化规律和表面损伤是理解材料在复杂环境下特性的基础，也是遴选并最终实现核聚变装置材料应用的关键。鉴于实验条件的限制,理论模拟工作具有不可替代的重要作用。本项目以聚变装置设计材料为背景，以多种理论模拟方法的有机结合为研究基础，针对材料在粒子辐照的损伤问题，建立物理模型并实现规范化编程，研究等离子体辐照下缺陷（簇）的反应动力学以及表面损伤等问题，探索缺陷在材料服役性能中的作用，研究缺陷产生机理以及缺陷的动力学演化规律。项目特色在于发展完善自主知识产权的多尺度缺陷动力学计算软件，实现高通量计算模拟，结合实际的辐照条件参数，定量获得材料缺陷动力学行为的微观介观特性，所得结果可以直接和实验数据比对，辅助理解实验，为评估材料辐照环境服役性能做数据储备。

本项目以核聚变中材料辐照损伤的关键问题这一国家重大需求为背景，以多种理论模拟方法的有机结合为研究基础，针对聚变堆材料在粒子辐照的损伤问题，建立了物理模型并实现规范化编程，研究了等离子体辐照下缺陷（团簇）的反应动力学以及表面损伤等问题，探索了缺陷在材料服役性能中的作用，揭示了缺陷产生机理以及缺陷的动力学演化规律。自主发展了材料初级辐照损伤的Monte Carlo（IM3D）、微观缺陷短时间演化的OKMC（PyAnneal）、介观缺陷长时演化的团簇动力学（IRadMat）软件以及缺陷物理参数的高通量计算（MatCloud）平台，建立了完整的材料辐照缺陷产生演化的顺序多尺度模拟平台，并形成了钨基材料缺陷性质基本物理参数和初级辐照损伤的数据库。由此系统探究了聚变堆钨基材料在高温等离子体协同辐照下的辐照损伤和氢氦滞留行为，揭示了空位迁移能、扩散/吸收偏压和晶粒尺寸都是影响材料抗辐照性能和氢氦滞留的关键因素，并提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聚变堆材料设计方案：指出对于铁基结构材料，可使用纳米晶以提升材料的抗中子辐照性能；而对于钨基面向等离子体材料，应使用粗晶以降低氢氦滞留量。发表SCI论文45篇，其中核能领域顶级期刊Nucl. Fusion 2篇、JNM 2篇；开发自主软件3个，开发缺陷物性参数高通量计算平台1个、缺陷演化多尺度模拟平台1个。特别是IM3D自主软件已作为中物院相关应用单位中子辐照损伤模拟的国产化定向编制软件。项目不仅完成了既定指标，而且扩展优化了缺陷动力学的顺序多尺度模型框架的准确性和适用广度，并已在聚变堆材料中氢氦滞留和中子辐照损伤等实际问题中取得了很好的应用成果，实现了本项目设立的辐照损伤多尺度模型框架的建立以及材料缺陷演化机理和性能揭示的总体目标。