聚變材料體心立方金屬輻照損傷缺陷演化動(dòng)力學(xué)模擬項(xiàng)目摘要

研究聚變環(huán)境下中子輻照引發(fā)的材料中各種物理過程和微觀機(jī)理是未來核聚變能實(shí)現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)之一。本項(xiàng)目采用分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法，系統(tǒng)研究高能粒子輻照對(duì)面向等離子體材料W和結(jié)構(gòu)材料Fe的輻照缺陷損傷效應(yīng)。課題將對(duì)體心立方金屬W及Fe中“空位-間隙”形成的缺陷生長(zhǎng)過程進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)空位團(tuán)/間隙位錯(cuò)的準(zhǔn)平衡態(tài)發(fā)展演化過程以及缺陷壽命等相關(guān)機(jī)理分析研究；同時(shí)還將對(duì)材料離位損傷缺陷與H/He雜質(zhì)的相互作用進(jìn)行討論，研究雜質(zhì)對(duì)材料缺陷穩(wěn)定性的影響及規(guī)律。本研究為聚變材料的選擇設(shè)計(jì)提供重要的理論參考依據(jù)。

對(duì)聚變用第一壁材料中子輻照引發(fā)的缺陷微觀結(jié)構(gòu)演化進(jìn)行第一性原理結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算研究。對(duì)輻照作用下可遷移空位團(tuán)/間隙原子團(tuán)的準(zhǔn)平衡態(tài)演化過程機(jī)理以及W合金與缺陷相互作用等進(jìn)行研究。主要包括： 輻照作用下材料離位損傷產(chǎn)生演化過程動(dòng)力學(xué)計(jì)算。應(yīng)用分子動(dòng)力學(xué)結(jié)合第一性原理計(jì)算方法模擬輻照作用下體心立方W中產(chǎn)生的晶體點(diǎn)缺陷產(chǎn)生形成過程，離位閾能的計(jì)算、間隙原子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的系統(tǒng)討論。對(duì)與<111>間隙構(gòu)型非常接近的<11h>構(gòu)型存在性作出物理機(jī)理解釋。高溫退火過程中點(diǎn)缺陷的復(fù)合、擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)研究。包括對(duì)Frenkel缺陷對(duì)的形成和遷移復(fù)合計(jì)算，復(fù)合區(qū)域及擴(kuò)散系數(shù)的溫度效應(yīng)，為點(diǎn)缺陷復(fù)合機(jī)制完成前期基礎(chǔ)。發(fā)現(xiàn)111型間隙原子與空位的復(fù)合區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)空間橢球，且該橢球半徑隨反應(yīng)溫度升高而增加。 計(jì)算鎢拉伸彈性形變、塑性形變、強(qiáng)化形變和斷裂等四個(gè)階段。得到楊氏模量、屈服應(yīng)變和屈服應(yīng)力。塑性形變時(shí)生成的FCC和HCP結(jié)構(gòu)的能量高于BCC結(jié)構(gòu)，并使系統(tǒng)保持較低的應(yīng)力水平。在塑性形變后期，長(zhǎng)程有序周期結(jié)構(gòu)孿生帶的生長(zhǎng)，使系統(tǒng)應(yīng)力呈周期性振蕩變化。在強(qiáng)化相持形變階段，鑲嵌在孿生帶HCP結(jié)構(gòu)中的其它無序結(jié)構(gòu)在應(yīng)力作用下生長(zhǎng)，產(chǎn)生孔洞產(chǎn)生并吸收能量，使系統(tǒng)晶格斷裂。 W基合金元素對(duì)空位缺陷遷移影響研究?？疾楹辖鹪貙?duì)空位、間隙的作用機(jī)制。發(fā)現(xiàn)合金元素對(duì)空位的遷移均表現(xiàn)為較有利的作用，其中Zr合金元素對(duì)空位的影響較為明顯，遷移閾能僅為0.859eV。通過有效體積的方式解釋空位遷閾能，且發(fā)現(xiàn)Ta的濃度增加對(duì)空位表現(xiàn)更為有利的作用。W合金中間隙結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。通過啞鈴對(duì)形成能發(fā)現(xiàn)，Re、Zr作為間隙原子時(shí)具有<110>啞鈴對(duì)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，而Ta、Hf、Mo、Nb作為間隙結(jié)構(gòu)時(shí)<111>啞鈴對(duì)具有更加穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。Re更加有助于自間隙結(jié)構(gòu)遷移，Hf有助于Hf-W啞鈴對(duì)遷移。 結(jié)論為探索輻照缺陷產(chǎn)生機(jī)理、提高W基合金抗輻照性能提供理論基礎(chǔ)，為未來我國(guó)聚變材料設(shè)計(jì)及性能評(píng)價(jià)指標(biāo)做出參考。 2100433B

面心立方晶格金屬和合金低溫塑性優(yōu)于體心立方晶格金屬的原因是面心立方金屬允許位錯(cuò)通過的滑移面比體心立方金屬的多，這些滑移面允許位錯(cuò)穿過晶體，而使金屬獲得延性 。

玻璃輻照損傷glass irradiatian damage又稱玻璃輻射損傷、指各種射線輻照所引起的玻璃結(jié)構(gòu)變化以及相應(yīng)的物理性質(zhì)(如密度、折射率、電阻、導(dǎo)熱系數(shù)等)的變化。例如:石英玻璃經(jīng)人ail }電子照射會(huì)引起密度_f}升，鍵角變小，所含痕量雜質(zhì)有可能形成電子陷阱，孔穴陷阱和色心等;含銀的磷酸鹽玻璃在輻照后能放出特征的橙色熒光，且熒光與輻射劑量成線性關(guān)系:利用這一效應(yīng)可制成輻射劑量玻璃。

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研究納米尺度的硬質(zhì)點(diǎn)、氣泡，以及結(jié)構(gòu)相變等因素對(duì)金屬材料在高應(yīng)變率加載下?lián)p傷演化和動(dòng)態(tài)斷裂的影響。采用多種實(shí)驗(yàn)技術(shù)，包括：氣體炮和脈沖強(qiáng)激光加載手段，配合測(cè)量板狀樣品在沖擊波壓縮和卸載過程中的自由面速度歷史，X射線閃光照相觀測(cè)，以及軟回收樣品的細(xì)觀組織分析，獲取層裂破壞的演化發(fā)展信息?；趯?shí)驗(yàn)結(jié)果，建立物理模型，開展數(shù)值模擬，預(yù)期對(duì)層裂破壞現(xiàn)象的物理過程和發(fā)展規(guī)律獲得較全面的理解和認(rèn)識(shí)。 2100433B