金属钨中辐照嬗变钨铼析出相形核机理的原子模拟

Tungsten (W) has been regarded as the most promising plasma-facing material (PFM) for future fusion reactors due to its advantages of high melting point, low tritium retention and low sputtering etch rate. Some transmutation elements (such as Re, Os and Ta) will be produced and the precipitations of σ (WRe) and/or χ (WRe3) phases will be induced in the case of high-energy neutron irradiations. These precipitates will lead to the obvious hardening and embrittlement of W materials and seriously affect the safety of their operations in future fusion reactors, however, so far the initial nucleation processes of Re clusters and exact formation mechanisms of those irradiation-induced W-Re precipitations are not known. In the present proposal, the new many-body interatomic potential functions for W-Re will be obtained independently and optimized based on some typical fusion defects. The defects production under irradiation and microstructure evolution for bulk W will be systematically investigated using molecular dynamics and Monte Carlo simulations. The radiation-enhanced diffusion and segregation kinetics for Re in W will be analyzed, which is used to investigate the physical mechanism of the nucleation induced from the atomic scale and put forward the countermeasures to weaken or inhibit the formation of transmutation-induced precipitates. The present study is of great significance for the design, preparation and application of W-based plasma-facing material in future fusion reactors.

钨具有高熔点、低氚滞留和低溅射刻蚀率等优良特性而被视为未来聚变反应堆中最有可能全面使用的面向等离子体材料。在高能中子辐照下，钨因为嬗变反应而生成铼等嬗变产物，并在辐照环境下诱导析出钨铼σ相和χ相，导致材料硬化和脆化，严重影响其在未来聚变反应堆中的服役安全性，目前这些相在钨材料中的初始形核过程和析出机制尚不清楚。本项目将以含量最多的嬗变产物铼在钨中的行为作为研究对象，基于自主构建并针对辐照缺陷优化的原子间相互作用势函数，应用分子动力学和蒙特卡罗模拟方法系统研究辐照条件下铼对金属钨中缺陷产生和微观结构演化的影响，并分析铼在金属钨材料中的辐照增强扩散和诱导偏析动力学过程。根据局部区域不同类原子数（合金成分）的比例来确定铼团簇的形成和钨铼析出相的初始形核，从原子尺度上探讨辐照诱导钨铼析出相形核的物理机理，提出减弱或抑制析出相形成的对策，为未来聚变堆中钨基面对等离子体材料的设计、制备及应用提供参考。

金属钨W和钨基合金被视为未来核聚变反应装置中最有可能全面应用的面向等离子体材料，在高能中子辐照下部分W将嬗变成Re和Os等元素，并聚集形成χ相(WRe)和σ相(WRe3)析出物，导致材料硬化和脆化，严重影响反应堆的服役安全性。因此，研究辐照诱导W-Re析出相的形成机制等具有十分重要的意义。在本项目中，(1) 我们首先自主开发了新的W和Re以及W-Re合金的原子间相互作用势函数，预测了金属W中典型辐照缺陷的形成能、结合能和迁移能以及间隙型位错环的相对稳定性等，为辐照条件下Re在W中行为的原子模拟提供了重要基础。(2) 利用所构建的势函数并结合分子动力学方法，研究了W和W-Re合金体系级联碰撞初级辐照损伤，观察到C15团簇在W中的形核过程以及其转变为1/2<111>间隙位错环的三种机制，发现W中辐照后以1/2<111>间隙型位错环为主，随机分布的5和10 at.%Re原子对辐照点缺陷的数目以及缺陷成团分数无明显影响，但辐照后局部Re原子曾明显聚集趋势。(3) 采用分子动力学和静力学方法研究了溶质Re与W中间隙型缺陷以及晶界的相互作用，发现小的自间隙团簇和位错环与溶质Re具有较强的结合能力，Re的存在抑制了这些间隙型缺陷的运动性；单个Re-W哑铃对通过三维运动扩散至晶界附近并被晶界所吸收，且Re在晶界附近的偏析能和偏析距离较大，偏析后材料的断裂强度和伸长率显著降低。(4) 我们进一步研究了W-Re合金中含有晶界或/和σ相的级联碰撞，发现W-Re合金中的间隙原子优先被晶界或σ相吸收，Re原子倾向于在σ相和晶界附近聚集。(5) 应用蒙特卡洛方法对Re的偏析进行了模拟，发现在未引入辐照时，Re团簇的析出为片状；引入辐照后发现，偏析相出现在辐照中心，并且Re会聚集到预置形核处，实现偏析相的生长；在累积通量辐照过程中，新生缺陷会被已有缺陷吸收，从而促进偏析相生长。(6) 我们还构建了W-Ta、W-V、W-Mo、W-Ta-He等一系列势函数，用于研究核材料的辐照损伤和氦效应，丰富了计算模拟势函数数据库，同时研究了合金化元素Ta对W中级联碰撞辐照产生和演化的影响。