氦与氢同位素共同作用于核材料的多尺度模拟

氦和氢同位素与核材料的作用涉及聚变反应堆的设计、核武器用储氚材料的研制诸多领域。研究表明，氦和氢同位素原子都会在材料中通过各种扩散机制聚集成团簇，团簇的融合、生长以及释放会引起材料老化、机械性能下降。因此，研究氦氢对材料宏观性能的影响以及如何控制不利因素，无论在和平利用核能研究领域还是在核武器研制上都有着十分重要的意义。. 目前，材料中氦氢共同作用行为的理论研究大多采用从头算法，但该方法考察的系统只有几百个原子，包含的氦氢原子一般只有几个，对于较大密度的氦氢共存的情况难以处理。本项目将基于从头算法研究结果，开发部分原子间相互作用势，采用基于GPU并行化的分子动力学方法和运动学模特卡罗方法在不同尺度下研究核材料中的氦氢共同作用机理。. 本项目创新之处：开发部分原子间相互作用势；已开发的基于GPU并行化的分子动力学程序能处理多体相互作用；多尺度模拟核材料中氦氢共同作用机理。

氦和氢与核材料的作用涉及诸多重要领域，如：聚变反应堆的设计、核武器用储氚材料的研制。研究表明，氦和氢原子都会在材料中经由多种扩散机制聚集成团簇，团簇的进一步长大融合以及释放引起材料的膨胀、起泡，最终导致部件老化、机械性能下降。因此，研究氦氢与材料的作用机理，无论在和平利用核能领域还是在核武器研制上都有着十分重要的意义。本项目基于从头算法研究结果开发部分原子间相互作用势，进而采用分子动力学方法和运动学模特卡罗方法在不同尺度下研究核材料中的氦氢作用机理。本项目取得的重要研究结果如下：.1.可靠的钨势是运用分子动力学方法研究金属钨中氢氦行为最为重要的部分。我们基于从头算法数据构造了一种新的钨势，克服了最为广泛应用的Ackland–Thetford 势的不足之处（Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering，2014, 22: 015004）。该工作受到了国际同行的关注，并被美国国家标准与技术研究院（NIST）的Interatomic Potential Repository Project负责人Becker博士收录进势库（http://www.ctcms.nist.gov/potentials/W.html）。该势库为全世界从事材料模拟的科研人员免费提供材料的相关势,是研究人员获得势的一个重要途径，这也是目前为止该势库（http://www.ctcms.nist.gov/potentials/）第一次收录来自中国科研小组的工作；.2.基于从头算法数据构造了He-W势，克服了前人工作的缺陷。随后，直观地研究了不同氦钨势组合下氦的不同扩散机制及其原因，发现扩散前因子与扩散机制密切相关；.3.提出一种新方法计算氦团簇对氦的吸引半径为运动学Monte Carlo方法提供动力学参数，并研究了氦团簇的扩散行为；.4.采用分子动力学方法研究了低能氦轰击晶体表面时温度的影响；.5.研究了低能氦轰击钨靶对钨表面的辐射损伤；.6.研究了储能材料钛近表面处氦团簇的释放行为；.7.研究了高密度氦和金属体内氦团簇的热力学属性；.8.提出了一种基于多个GPU并行的分子动力学方法，能够处理多体势，能够处理包含上百万个原子的系统。