氢离子轰击和高热流密度载荷作用下钨材料力学行为的多尺度分析

聚变堆环境下，H离子的轰击会在面对等离子体W材料内部产生各种微观缺陷，对材料的热/力学性能有重要影响，特别是对于薄壁结构，沿厚度方向的性能改变会严重影响结构的热/力学强度。目前国内外关于面对等离子体W材料的研究多集中在等离子体与材料表面的微观作用机制上，关于离子轰击导致材料性能退化的研究尚不充分。本课题拟首先构造新的分子动力学/拟连续介质方法耦合的计算模型，建立相应的多尺度算法，在此基础上对H离子轰击和高热流密度载荷联合作用下W材料的力学、热力学行为进行数值模拟，分析H离子轰击造成的材料微结构变化及其对宏观力学、热力学性能的影响，通过对含轰击缺陷W材料薄壁构件在高热流密度负荷作用下内部缺陷演化和破坏失效过程进行多尺度数值模拟，对W材料作为面对等离子体组件的热力学强度进行评价。目标是为聚变堆面对等离子体材料选择及构件设计提供科学依据。

金属钨是目前受控磁约束热核聚变实验堆中最理想的固态第一壁材料，由于直接与高温等离子体接触，氢及其同位素在钨中的滞留问题一直是国内外研究热点。本项目以此为背景，发展了多尺度计算方法，利用应变能变分原理，结合代表体积元的概念，给出了在原子尺度上宏观应力的表达式和本构关系，提出了从分子动力学到有限元的三尺度计算框架。在此基础上，对氢在钨中的扩散以及由此导致的力学性能退化开展了深入研究。首先，通过计算氢原子在钨晶格中的能量分布，确定了氢的扩散路径和扩散势垒，分析了温度对氢扩散行为的影响，结果显示氢在完美钨晶体中的临界扩散温度为450K，在空位缺陷附近的临界扩散温度为950K，与现有实验结果符合非常好，同时也很好地解释了实验上观测到的氢致钨表面起泡与温度的关系。此外，通过模拟含氢的单晶钨在单轴拉伸载荷作用下的力学响应，建立了材料弹性模量、屈服应力与氢浓度的定性关系，证实了氢滞留可导致钨材料力学性能的显著退化，并解释了其微观机理，通过计算氢滞留前后钨键的能量，确定了填隙氢原子具有消弱钨键强度的作用，与经典的HEDE理论保持一致。最后，通过模拟分析I型裂纹扩展问题，发现了氢影响钨材料断裂力学性能的三种机制：1）氢原子的存在可以引起裂纹前端钨原子的局部重排，从而降低裂纹前端的应力集中水平，延缓裂纹的扩展，提高材料的延展性；2）氢原子能够促进裂纹尖端位错的发射和运动，增加裂纹前端的塑性变形，提高材料的延展性；3）当浓度较高时，氢原子可以导致裂纹前方出现空穴，空穴的生长和与朱裂纹的结合，加速了裂纹的扩展，减小了材料的塑性变形。本项目的研究将为聚变堆第一壁组件的安全设计提供参考。