PDF《A03.核材料》

1 A03.

核材料 分会主席:吕广宏、韩恩厚、汪小琳、王宇钢、罗广南、刘彤 A03-01 Towards Experimentally Relevant Time and Length Scales: Multi-Scale Simulation of Radiation Damage in Nuclear Materials 高飞

1 ,彭庆

2 ,高宁

3 ,邓辉球

1 ,胡望宇

1 1.湖南大学 2.密西根大学 3.中科院近代物理研究所 The recent developments of multiscale approach of radiation effects and materials performance in fission and fusion environments will be reviewed, focusing on experimentally relevant time and length scales. Large scale MD is used to simulate defect production for PKA energy up to

300 keV in Fe, while SAAMD or LTD/SEAKMC is used to extend time scale to hours at atomic-level simulations. We will demonstrate that the probability of forming dislocation loops significantly increases in a model of ferritic steel (consisting of FeCuNiMn), even at low energy cascades. In addition, we will summarize the possible applications of SAAMD and LTD/SEAKMC, including the migrations of He bubbles and dislocation loops, cascade annealing and dose rate effects in structural alloys. Finally, we will discuss some scientific issues associated with cluster dynamics approach, particularly for exploring the incubation period of void formation and temperature shift in peak swelling in steels. A03-02 钨中嬗变元素辐照诱导析出机制及其对力学性能影响研究 周洪波

1 ,李宇浩

1 ,邓辉球

2 ,吕广宏

1 1.北京航空航天大学物理学院 2.湖南大学物理学院 钨(W)基材料是未来聚变堆最有可能全面应用的面对等离子体材料.但在聚变高能中子(14 MeV)辐照下,W 将不 仅发生嬗变反应, 产生铼 (Re) 、 锇(Os) 等嬗变元素, 而且 Re/Os 在辐照作用下将会聚集析出, 这与无辐照条件下的 W-Re/Os 合金行为明显不同.富Re/Os 析出相将加剧材料的辐照硬化/脆化,严重影响聚变装置的运行安全和稳定性.我们首先系统 研究了 W 中嬗变元素 Re/Os 的聚集析出行为,发现在本征 W 中Re-Re 相互排斥,不倾向于聚集;

虽然 W 中Os-Os 相互吸 引,但形核自由能变计算结果显示 Os 聚集需要克服较高的势垒(~1.10 eV) .因此,在热平衡条件下 Re/Os 很难自发聚集成 团,这给出了常规 W-Re/Os 合金中无富 Re/Os 析出相的原因. 中子辐照条件下,W 中产生嬗变元素的同时还会形成大量的 Frenkel 缺陷,即空位和自间隙原子.研究发现 Re/Os 与Frenkel 缺陷间存在很强的相互作用.更重要的是,空位和自间隙原子的存在能够显著降低 Re/Os 聚集的形核自由能变,进 而促进 W 中Re/Os 聚集成团.而且,自间隙原子易于被替位 Re/Os 所捕获,形成间隙 Re/Os,而间隙 Re/Os 的扩散和转向 势垒较低,能够在 W 中进行快速的三维扩散.因此,自间隙原子在 Re/Os 扩散聚集中起到了重要的媒介作用.游离的间隙 Re/Os 可与替位 Re/Os 结合,形成稳定的 Re/Os-Re/Os 对,而其可继续捕获间隙 Re/Os 使Re/Os 团簇进一步生长.据此,我 们提出了 W 中嬗变元素 Re/Os 辐照诱导析出的间隙扩散聚集机制,给出了辐照条件下嬗变元素聚集形核的物理图像. 通过研究 Re 对W中1/2螺位错运动的影响,我们进一步探索了嬗变元素对 W 力学性能的影响机理.研究发现, Re 对螺位错运动的影响与 Re 在W中的分布密切相关.当Re 在W中均匀分布时,Re 的加入能够降低 γ 面(1/2{112} 和1/2{110})的广义堆垛层错能,表明 Re 能够促进位错的运动,提高 W 材料的韧性;

而当 Re 在W中聚集成团时, Re 团簇的存在将显著提高螺位错运动的佩尔斯应力和佩尔斯能垒,表明 Re 团簇将阻碍位错的运动,加剧 W 材料的硬化和 脆化.这揭示了辐照条件下嬗变元素聚集析出加剧 W 材料辐照硬化的物理本质. 关键词:钨;

嬗变元素;

辐照诱导析出;

位错运动;

辐照硬化 A03-03 钨/铁中辐照缺陷与界面相互作用的模拟研究 吴学邦,李祥艳,刘长松 中国科学院固体物理研究所

2 近年来,纳米晶材料表现出优异的抗辐照性能,通过界面(晶界和相界)调控能有效修复材料内部产生的辐照缺陷,使 得材料表现出自修复特性.然而,纳米晶材料辐照损伤与修复机制目前仍不清楚,存在大量问题有待研究. 为研究纳米晶材料中辐照缺陷与界面的相互作用, 我们开发并进一步完善了一套跨时空尺度缺陷产生与演化模拟程序, 主要 包括初级辐照损伤模拟的分子动力学模块 (MD) 、 缺陷能量学性质静态计算模块 (MS) 、 探索缺陷跃迁势能面的弹性带 (NEB) 和两体(Dimer)模块、缺陷在原子尺度和微秒尺度演化的原子动力学蒙特卡洛模块(AKMC)和缺陷在微纳米尺度和宏观 时间尺度演化的实体动力学蒙特卡洛模块(OKMC) . 基于上述模拟程序,研究纳米晶钨中自间隙原子及其团簇复合空位的动态图像.研究发现: (1)辐照诱导的自间隙原子团 簇缺陷在靠近局域紧凑的晶界结构时被反射进晶粒内部,可与晶粒内部空位进行复合. (2)自间隙团簇被局域疏松的晶界结构 捕获后可通过动态发射复合晶界附近的空位:单个自间隙原子偏聚至晶界后,沿晶快速运动,聚集成双间隙;

其活性与晶界附 近空位活性相当时,晶界附近空位通过双间隙沿晶运动和空位向晶界偏聚的耦合过程而消除. (3)围绕自间隙原子形成空位- 自间隙自发复合区域,在该区域内空位-自间隙通过自发的间隙发射而复合.在此区域之外,空位或者自间隙需要克服较低的 能垒复合,具体的原子过程涉及到空位扩散与间隙发射的耦合.进一步提出了 发射阻力 (势阱深度除以势阱半宽度) 表征间隙 原子从缺陷阱处发射的难易程度,论证了间隙发射诱导的复合机理在钨、铁、铜金属的表面以及晶界中的普适性. 上述模拟结果表明,通过复杂的微观过程(如反射自间隙及其团簇,自间隙沿晶运动、团簇化与空位偏聚的耦合,自间 隙发射与空位扩散、偏聚的耦合) ,引入界面可以有效捕获或者复合铁/钨材料中的辐照诱导缺陷,增强纳米晶材料的抗辐照 损伤性能.这为通过细化晶粒提高材料抗辐照损伤性能提供了理论依据.同时近期研究表明晶界捕获缺陷、复合缺陷的能力 与晶界结构有关.除了细化晶粒外,有必要通过晶界工程优化晶界类型,以取得更佳的抗辐照损伤性能. 关键词:离位损伤;

跨尺度集成模拟;

纳米晶材料;

自修复 A03-04 金属钨的势函数构建及高能中子辐照模拟研究 邓辉球

1 ,胡望宇

1 ,高飞

1 , 陈阳春

1 ,高宁

2 ,周洪波

3 ,吕广宏

3 1.湖南大学物理与微电子科学学院 2.中国科学院近代物理研究所 3.北京航空航天大学物理学院 金属钨被视为未来聚变反应堆中最有可能全面使用的面对等离子体材料. 在聚变高能中子的辐照下, 金属钨中会产生大 量的点缺陷和位错环,以及出现嬗变元素等,严重影响其物理和力学性能.结合第一性原理计算得到的大量典型辐照缺陷结 构及相应能量,我们重新构建了适用于辐照环境的金属钨的势函数.研究发现,金属钨块体中单个自间隙原子(SIA)最稳 定的组态为方向的哑铃状结构;

少于

7 个的 SIA 团簇倾向于沿方向平行排布,包含

7 个以上的 SIA 团簇形成较 为稳定的 1/2 间隙型位错环.单个 SIA 在低温时沿方向一维迁移运动,在温度较高时可三维运动,其旋转能垒约 为0.3 eV.小的 SIA 团簇和 1/2 位错环可沿方向快速迁移运动,其迁移能垒( Lii 1+ >

LiO 3+ >

VLi 1- >

Oi 2- >

OLi 1- ;

而H相关缺陷的相对稳定性为 HO + >

Hi - >

[Hi-Lii]0 >

HLi - >

[Hi-Oi]- ,且HO + 和Hi - 可能与 VO

0 、VLi - 共存.在整个能级范围内,β-Li2TiO3 中各 Li、O 相关本征 点缺陷及 H 相关缺陷均只有一个........