氢氦对辐照材料损伤机制的计算机模拟研究

当前发展核能急需解决长期存在于材料学中的特殊问题－氢氦问题。当氢、氦等嬗变产物进入材料体内通过聚集成泡并与辐照产生的移位缺陷相互作用，将引起材料的微观结构变化而恶化材料的力学性能，缩短材料的使用寿命。本课题拟采用计算机模拟技术研究氢、氦与材料因辐照损伤产生的移位缺陷间的协同作用所构成的缺陷复合体的微观结构演化行为。研究将分别采用分子动力学、第一性原理以及蒙特卡洛方法对从辐照初期缺陷产生、相互作用的动力学行为，到后期缺陷回复为稳定的热平衡态这一全部过程进行多尺度的模拟计算。之后，对体内存在不同缺陷态的材料施加拉伸或剪切等应力，模拟研究这些缺陷复合体对材料从弹性、塑性到脆性的力学性能影响，进而探索材料遭受氢、氦损伤的主要因素以及相关的物理机制。这将为评估材料的抗损伤能力提供理论数据，同时对损伤机制的探讨有助于采取有效手段预防这一类的损伤。

当前发展核能急需解决长期存在于材料学中的特殊问题－氢氦问题。当氢、氦等嬗变产物进入材料体内通过聚集成泡并与辐照产生的移位缺陷相互作用，将引起材料的微观结构变化而恶化材料的力学性能，缩短材料的使用寿命。本项目自2012-2015年度围绕此主题，不论从计算方法研究上 (从动力学以及热力学角度采用不同的算法），还是基于密度泛函理论从电子结构分析原子的键合特性上，均细致深入探讨了：氢、氦在各类核材料中的演化聚集行为，特别重点研究了氢同位素在聚变堆第一壁材料中的滞留，提出W-C混合层影响氢滞留的微观机制；氢、氦对材料脆性影响的机制，发现MAX 相Ti3SiC2金属陶瓷陶瓷材料有别于金属具有优异的抗氢脆及抗氦泡增长的独特性能，这为开发新一代先进核结构材料提供了新的思路。.. 氢同位素在聚变堆第一壁材料W中滞留的研究中，发现氢在该材料中的滞留严重依赖于反应堆服役条件下W表面的相结构成分。在高温、强辐照条件下，由于共沉积以及注入杂质等因素，W表面易形成W-C混合层。该混合层很可能存有碳的非晶相，类石墨相，WC1-x(0<x<1)相，以及溶有少量C的W晶体。当存在前两者，将导致H的滞留增加；对于后两种相的产生，由于C的存在抑制了H的被捕获。若表面生成WC相，造成氢在W内向表面和体内扩散的不对称性，导致氢滞留量的增加，很好的解释了相关实验研究。.. MAX相材料Ti3SiC2抗氢、抗氦脆行为的探索研究中，通过对氢、氦原子在该材料体内的演化以及拉伸模拟实验，发现该材料具有独特的性能：有别于金属材料，该材料在一定条件下能够限制氦在体内的成泡长大，此外在受到氦辐照产生微裂纹后具有自修复的性能，为此对该材料受氦辐照以及在后续的退火过程构建了一套完整的物理模型；而氢在其体内，由于与Si的S态发生电子杂化，并不能破坏对该材料性能起关键作用的Si-Ti的p-d电子杂化，因此有效避免了金属材料中氢致金属原子间结合力减弱而致脆的现象。该力学拉伸结果与上述原子键合的电子结构分析相一致。根据Ti3SiC2对辐照的综合响应行为，认为作为核应用材料，该材料具有潜在的价值。. . 此外，工作进行了相应模拟计算方法的探索，包括大尺度长时间的蒙特卡洛计算以及利用分子动力学程序进行模拟退火的研究，均取得了满意的成果并积累了研究经验。.