低活化铁素体/马氏体钢辐照脆化行为与机理的先进模拟研究

Reduced Activation Ferritic/Martensitic (RAFM) steels are candidate structural materials for key components in several Generation IV concepts, accelerator driven systems (ADS) and fusion reactors because they are highly resistant to neutron irradiation and provide good resistance to the corrosion. However, there remain serious concerns for the development and use of RAFM steels in fusion reactors. The most critical of these concerns relates to the limited operational temperature window, typically between 350°C and 550°C after neutron irradiation. The lower temperature limit is primarily due to irradiation embrittlement at low temperature operations. This proposal will focus on multiscale modeling of irradiation embrittlement, which is the key limit of usage of RAFM steels in fusion reactors. In this proposal, a physical based irradiation embrittlement model of RAFM steel at atomic and microstructural scale will be constructed based on multiscale modeling and experiment study, during this procedure, some key advanced and parallel-able algorithms will be implemented to atomistic scale and meso-scale code, such as Molecular dynamics, Kinetic Monte Carlo and Rate theory codes.

低活化铁素体/马氏体钢（Reduced Activation Ferritic/Martensitic steels, RAFM钢）被普遍认为是聚变示范堆和商用堆的首要候选结构材料。目前制约RAFM钢未来聚变工程应用的关键因素是其较窄的服役窗口温度（350~550℃），温度下限取决于辐照脆化。本申请瞄准辐照脆化机理这一制约RAFM钢运行窗口温度的科学问题，在前期实验以及多尺度模拟工作基础上，基于我国超级计算技术以及先进计算技术，从RAFM钢辐照导致微观结构演化模型、辐照脆化多尺度物理模型、数学算法以及并行方法入手，建立辐照导致RAFM钢的微观结构演化物理模型及模拟手段，研究原子尺度以及微纳米尺度的RAFM钢辐照脆化机制，初步建立RAFM钢辐照脆化物理模型，为RAFM钢脆化机理研究以及材料成分优化提供理论依据和技术支持，促进我国核能用RAFM钢的研制与发展。

低活化铁素体/马氏体钢（Reduced Activation Ferritic/Martensitic steels, RAFM钢）被普遍认为是聚变示范堆和商用堆的首要候选结构材料。目前制约RAFM钢未来聚变工程应用的关键因素是其较窄的服役窗口温度（350~550℃），其中温度下限取决于辐照脆化。本项目在国家自然基金的资助下，瞄准辐照脆化机理这一制约RAFM钢运行窗口温度的科学问题，在前期实验以及多尺度模拟工作基础上，基于我国超级计算技术以及先进计算技术，从RAFM钢辐照导致微观结构演化模型、高精细数学算法、高性能计算技术、以及辐照脆化多尺度建模与计算等入手，建立了辐照导致RAFM钢的微观结构演化物理模型及模拟手段，研究了原子尺度以及微纳米尺度的RAFM钢辐照脆化机制，初步建立了RAFM钢辐照脆化物理模型，为RAFM钢脆化机理研究以及材料成分优化提供理论依据和技术支持，促进我国核能用RAFM钢的研制与发展。.经过4年的研究，顺利完成了项目提出的研究目标。具体包括：.①针对RAFM钢辐照损伤和辐照缺陷演化的特点，发展了级联碰撞辐照缺陷的判断和高效统计方法；建立了不同中子能谱辐照条件下初始缺陷的统计分布函数，为后续介观尺度模拟提供输入；.②建立了RAFM钢辐照缺陷演化介观尺度模拟方法（动力学蒙特卡洛方法和团簇动力学方法），实现了能同时模拟Fe、Cr、Ni、Mn、Si、P等6种合金/杂质元素在辐照条件下演化行为的原子尺度模拟；同时实现了具有空间分辨的辐照缺陷演化团簇动力学模拟；.③初步探明了BCC结构金属中<100>位错环的形成机制，尤其是RAFM钢中<100>位错环的形核以及<100>位错筏的形成机制；.④建立了辐照硬化预测的位错动力学方法，发展了辐照硬化/脆化的机器学习方法，分析了辐照条件、合金元素等对硬化的贡献。最终初步建立了RAFM钢辐照硬化预测模型。.通过以上研究，本项目资助期间共发表标注的科技论文18篇，会议论文4篇，在投/在审论文5篇；出版学术专著2部/章；申请发明专利18项；软件著作权8项；数据库1项。