高能粒子辐照后重金属靶中氦原子产生和迁移过程的研究

In recent years, the accelerator driven facilities have aroused widespead interest in material sciences, life sciences and nuclear wastes transmulation. For these facilities, a great challenge comes from the reliabilities of the targets and the components during operation. Radiation damage due to fission or even fusion neutrons is largely due to damage energy transferred to lattice atoms. These fission and fusion energy transfers are mostly elastic interactions,in which few new particles are produced.By contrast, when a high-energy particle bombard the heavy metal target, it will produce atom displacements as well as many helium and hydrogen atoms. The experiments and theoretical researches show after irradiation the helium atoms can form clusters and can be easily trapped by othe helium atoms to form swelling.the swelling will result in performance deterioration. In this work, firstly we will calculate the displacement, H, He production cross sections, and the ratio of He production to displacement by the code MCNPX2.5.0 and its libaries. Then we calculate the formation, migration and binding energy to learn the behaviour of the helium atoms in these heavy metal targets by the code VASP that is based on the density functional theory. We will collaborate with Paul Scherrer Institute to perform the irradiation and post irradiation examination of the heavy metals. The irradiation experiment results will be compared with our calculation results, to obtain the fundamental rule of the effect of helium atoms on the properties of the heavy metal targets.

近年来，加速器驱动的装置在材料科学、生命科学、核废料嬗变等领域引起了广泛的兴趣。对这类装置而言，一个很大的挑战来源于靶与结构材料在长期运行时的可靠性。当高能粒子（如质子）轰击重金属靶时，除了被击靶核将脱离它的平衡位置，并在原地留下一个空位外，散裂反应还将会产生大量的H、He原子。实验和理论研究表明He原子将形成稳定的气泡，这些气泡很容易俘获其它的He原子并不断长大，形成肿胀，从而引起材料性能恶化。本研究工作拟采用高能粒子输运程序MCNPX2.5.0等得到重金属中不同高能物理模型下原子离位、He原子产生截面和He原子产率与原子离位比例；利用第一性原理程序VASP等计算He原子在重金属材料中的不同位置的形成能、迁移能和结合能，研究He原子在重金属中的扩散过程；与瑞士PSI材料实验室合作，在PSI实验室完成材料辐照和性能测试。通过以上研究工作得到He原子对常用重金属靶材料性能影响的基本规律。

在散裂或聚变反应中，中高能中子与材料的相互作用会使材料产生位移损伤；同时，中子与材料原子核发生的散裂或聚变反应会在材料中产生大量的氢和氦，氦的聚集将会产生氦泡，在导致材料高温脆性的同时加剧原子位移损伤对材料性能的影响。本项目开展氦原子对材料的辐照损伤等方面的研究，对评估材料尤其是在缺乏直接实验数据时，聚变或散裂材料的安全性和使用寿命具有重要意义。结合蒙特卡洛方法与第一性原理计算，项目完成了重金属材料钨、钽和结构材料在高能质子轰击时原子位移、氢、氦产率计算，并研究了氦原子在这些材料中的迁移与扩散行为以及其它缺陷如空位、自间隙原子、氢原子对这些材料的影响。基于菲克第二定律和其在稳态脉冲体系中的解，得到散裂反应时，钨中氢氦的本底浓度和弛豫时间，通过引入裂纹尖端的应力场理论，确定了氢、氦原子在裂纹尖端最大浓度。在实验上，利用20MeV的Si+离子和2MeV的He离子对重金属材料钨、钽和金进行了双束离子辐照实验研究。在室温对上述重金属材料进行Si+3离子和He离子注入，剂量分别为6.9345×1015 ions cm-2和3.57×1016 ions cm-2。然后对未辐照样品和辐照样品进行纳米压痕、X射线衍射、扫描电镜和透射电镜测试，通过实验数据分析发现：相比未辐照样品，辐照后三种材料的硬度都有明显的增大，其中钽硬度增加最为明显；辐照导致了钨的晶粒细化，并在钨中产生大量氦泡。锆基非晶合金具有优秀的物理、化学和力学性能，使其可能成为聚变反应堆和散裂反应结构部件备选材料，为比较氦原子在非晶合金与重金属材料中的行为差异，利用不同能量He离子、70 keV Ar+对锆基非晶合金进行了双离子注入，实验发现与重金属明显不同，在低剂量率注入时，非晶合金出现了软化现象。另外我们的实验首次在非晶合金中发现了氦泡。以上工作发表在Journal of Nuclear Materials, Chinese Physics C, Fusion Engineering and Design等刊物上。