钒材料中氧、氮和碳对氢氦原子行为影响的第一性原理研究

Neutron radiation damage effects are the main problem for developing nuclear material and nuclear technology. Under neutron irradiation, large amounts of defects, H and He impurities from transmutation reactions are generated inside structural materials of fusion reactor, causing microstructural changes and bubble formation, leading to material swelling and embrittlement, and seriously affect operation lifetime of the reactor. Therefore, clarifying the interaction between H and He with structural defects (vacancies, voids, grain boundaries) under neutron irradiation is one of the importance to understand the mechanism of neutron irradiation damage. Using first-principles method, this project is to study the microscopic mechanism of interaction between H/He impurities and voids/grain boundaries in the low activation structural material of vanadium solid with trace elements C, O and N. First-principles study of retention, migration, segregation behavior of H and He impurities in small void and V/TiX grain boundary, the effect of the trace elements. This research will provide basic data for developing of radiation-resistant structural materials and has important scientific significance.

中子辐照下，聚变堆结构材料内部产生各种缺陷，伴随着核嬗变反应生成的大量氢、氦杂质原子，引起材料微结构变化和气泡形成，导致材料肿胀和脆化，严重影响反应堆的运行寿命。因此，阐明中子辐照下，聚变堆结构材料中氢、氦与结构缺陷之间的相互作用，是理解中子辐照损伤机理的关键之一。本项目采用第一性原理计算，考虑溶质元素效应，首先研究钒材料中微量溶质元素（氧、氮、碳）与缺陷形成稳定的复合团簇结构，探究溶质原子对氢/氦杂质原子与结构缺陷之间相互作用的影响，即氢/氦与空位聚集形成氢泡/氦泡微观机制的变化；其次研究溶质元素以金属间化合物存在时，与钒晶体形成的异相界面处对氢/氦杂质原子的捕获，以及对氢/氦-空位复合团簇形成的影响。进一步阐明结构材料内中子辐照损伤机理的关键问题，为研发优良抗辐照结构材料提供理论数据；为抑制中子辐照下结构材料的肿胀和脆化提供有效的解决办法，具有十分重要的科学意义。

本项目执行期间，为了阐明微量溶质元素对氦原子成核行为的影响，我们首先采用第一性原理模拟计算研究了钒晶体中溶质元素（氧、氮、碳）对氦原子行为的影响，结果表明氧、氮、碳存在并未改变单个氦原子的稳定间隙位（八面体间隙位），碳和氧原子有利于氦原子的自捕获、而氮原子阻碍氦原子自捕获。氧、氮、碳存在降低了单空位捕获氦原子的能力，阻碍了氦泡的成核长大。其次研究钒合金（V-Ti-Cr）中溶质元素以金属间化合物存在时，与钒晶体形成的异相界面处对氦杂质原子的捕获，以及对氦-空位复合团簇形成的影响。模拟研究后发现少量的钛（不超过4个）有利于氧、氮、碳微量杂质元素的稳定性，钛原子数量多于4个以后，氧、氮、碳稳定性下降。在铬的影响下，空位间隙分别与2个氧、氮、碳原子结合，形成稳定的C2Va1，N2Va1、O2Va1复合结构等。详细阐明了结构材料钒晶体内微量溶质元素（氧、氮、碳）和合金元素（钛、铬）影响下中子辐照损伤机理的关键问题，为进一步提高钒合金结构材料的抗肿胀和脆化提供了理论研究数据。项目执行期间共发表SCI论文2篇，1篇正在审稿；参加学术会议3次；授权发明专利2项，培养本科生2名。依托本次研究工作，申请人获得了江苏省“青蓝工程”骨干教师培养对象，江苏省“模具设计与制造”国际化品牌专业负责人，获常州市第17届人大代表荣誉称号。