纳米晶铁抗辐照损伤性能实体动力学蒙特卡洛(OKMC)模拟研究

Radiation damage in structural materials is one of crucial factors impeding the development of nuclear fusion reactors. Nowadays, main focus is put on density functional theory method and molecule dynamics method for the study of radiation damage mechanism. The methods can only be used to investigate radiation damage mechanism of nano-crystallines in small size system, however, radiation damage is a problem of multiscale. Thus it starves for the simulation technology which can be used to deal with the problems in macroscopic size and time scales. Object Kinetic Monte Carlo is the kind of method meeting the requirement for the simulations in macroscopic size and time scales. The α-Fe is selected as the main model system. Based on the results of the interactions between radiation-induced defect and grain boundary in small size Fe from density functional theory, molecule dynamics, molecular statics, and temperature-accelerated dynamics, Object Kinetic Monte Carlo is used to study the interplay picture and mechanism of radiation-induced defect with grain boundary in nano-crystalline Fe in macroscopic size and time scales. Thus data base of radiation damage in nano-crystallines Fe will be supplemented and consummated. The dependence of radiation damage healing on temperature, radiation dose and the grain size will be clarified. The work will serve as guidance for the design and development of radiation resistant materials.

结构材料辐照损伤问题是制约核聚变堆发展的重要因素之一。目前主要采用第一性原理、分子动力学等方法研究小尺寸纳米晶材料的辐照损伤机理。然而，辐照损伤是多尺度问题，急需发展具有宏观时间、空间尺度的数值模拟技术开展较大体系的模拟研究。实体动力学蒙特卡洛方法OKMC是具有这种宏观时空尺度特性的模拟技术。本项目拟以铁素体/马氏体钢的基体结构α-Fe为主要研究对象，基于前期运用第一性原理、分子动力学、分子静力学和温度加速分子动力学等方法在小尺寸体系Fe中辐照缺陷与晶界相互作用的研究结果，进一步运用实体动力学蒙特卡洛方法OKMC研究宏观时空尺度下Fe纳米晶中辐照缺陷与晶界相互作用的关键原子演化过程及其机制，从而补充、完备Fe纳米晶辐照损伤基本规律数据库，力争获得Fe纳米晶宏观辐照损伤修复条件（温度、辐照剂量和晶粒尺寸等），为实验制备抗辐照材料提供理论参考和指导。

本项目拟以铁素体/马氏体钢的基体结构α-Fe为主要研究对象，研究了不同尺度下Fe纳米晶中辐照缺陷与晶界相互作用的关键原子演化过程及其机制，获得了Fe纳米晶宏观辐照损伤修复条件（温度、辐照剂量和晶粒尺寸等）。主要研究内容和结论如下：1）开发OKMC 程序。完成了模拟纳米晶离位损伤的OKMC程序开发，提出了基于参数传递和结构反馈的耦合MD-OKMC模拟算法。2）完善辐照缺陷与晶界相互作用微观图像。揭示了三种缺陷复合机理：自间隙原子的局域激发诱导的复合区域的拓展或传播、局域紧凑的晶界结构反射自间隙团簇增强的块体空位复合和自间隙沿晶运动与空位趋向晶界的耦合运动所诱导的复合。3）完备铁纳米晶辐照损伤基本规律数据库。采用MD考察了晶界附近初级辐照损伤。研究发现，辐照产生的自间隙原子和空位会在块体、晶界附近及其内部偏聚和复合。这些基本过程可能分别单独发生，也可能同时发生。在MD时间尺度上，形成晶界内部局域富集自间隙原子、晶界附近富集空位的缺陷结构。4）缺陷结构长时间尺度下演化行为。OKMC模拟发现，晶界优先吸收自间隙原子，在一定温度下（如室温），晶界附近的空位可扩散至晶界，被晶界捕获或与晶界处优先偏聚的自间隙原子发生复合。同时，自间隙原子可沿晶不断运动，至空位缓慢运动到晶界附近后，二者发生复合。研究还揭示了累积辐照损伤过程缺陷-晶界作用和晶界结构弛豫机理。5）评估图2（缺陷-晶界基本作用） 中各个过程损伤修复效率。晶界捕获缺陷和增强缺陷复合是两种基本过程。研究发现，复合过程只在一定辐照剂量范围内占据主导地位，捕获可能是辐照过程中更为基本的过程。6）研究或评估了材料辐照响应（缺陷累积）对温度、辐照剂量和晶粒尺寸依赖关系。研究发现，在晶粒小于一定范围，温度高于一定范围和辐照剂量率对于一定范围时，纳米晶表现出优异的自修复效应。在其他参数空间，纳米晶虽能表现出一定的修复性能，但缺陷累积行为不同，如出现晶界与缺陷的协同弛豫行为。该项研究工作获得了铁纳米晶微观和宏观的辐照损伤自修复图像。对于认识与理解晶界在辐照损伤自修复过程中的作用具有重要的学术意义和工程参考价值。