摻氦Fe和V中輻照效應(yīng)的原子模擬.pdf

1、現(xiàn)今能源和環(huán)境問題備受關(guān)注，資源豐富且清潔環(huán)保能源的開發(fā)任務(wù)日益緊迫。聚變核能因其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)而被認(rèn)作未來解決能源與環(huán)境問題的有效途徑之一。高性能材料的研發(fā)是當(dāng)前聚變核能發(fā)展的關(guān)鍵問題之一，低活化鐵素體/馬氏體鋼(RAFM)和V合金作為未來聚變反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料具有重要的應(yīng)用前景。低活化Fe素體/馬氏體鋼和V合金作為聚變反應(yīng)堆第一壁和包層材料應(yīng)用面臨高能粒子輻照和嬗變氦積累的考驗(yàn)。
　　針對(duì)低活化鐵素體/馬氏體鋼和V合金主要成分—Fe和V

2、，本文首先在現(xiàn)有Fe-He勢(shì)的基礎(chǔ)上采用分子動(dòng)力學(xué)方法全面系統(tǒng)地研究了Fe中氦原子濃度、氦原子位置、輻照溫度以及初級(jí)碰撞原子能量對(duì)位移級(jí)聯(lián)的影響，重點(diǎn)討論了原子離位、缺陷數(shù)目、缺陷的分布和團(tuán)聚受輻照條件的影響。其次，針對(duì)金屬V，我們?cè)诘谝恍栽碛?jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上構(gòu)建了準(zhǔn)確的V-He原子間相互作用勢(shì)，并采用分子動(dòng)力學(xué)方法研究了V中氦原子的基本行為。在此基礎(chǔ)上，我們最后分別研究了置換氦和間隙氦摻雜情況下氦濃度、輻照溫度以及能量對(duì)V中原子離位過

3、程、缺陷數(shù)目、缺陷分布與團(tuán)聚的影響。通過對(duì)比反映了金屬Fe和V在雜質(zhì)氦摻雜情況下級(jí)聯(lián)結(jié)果的異同。
　　研究發(fā)現(xiàn)，氦原子在金屬V中優(yōu)先占據(jù)四面體間隙位置，氦原子團(tuán)簇多以具有高對(duì)稱性的構(gòu)型出現(xiàn)。氦原子在金屬V中擴(kuò)散勢(shì)壘僅為0.06電子伏特，其擴(kuò)散路徑:從四面體間隙位置遷移到另外一個(gè)最近鄰的四面體間隙位置而非跨越八面體間隙位，與金屬Fe中間隙氦原子的擴(kuò)散相類似。金屬V中氦原子之間的結(jié)合能極低，氦原子在金屬V中的捕獲主要依賴于實(shí)現(xiàn)存在于晶

4、格中的缺陷，其自捕獲發(fā)生概率極低。
　　在金屬Fe中，無論對(duì)于置換氦摻雜還是間隙氦摻雜的情況，初級(jí)碰撞原子能量增加均導(dǎo)致殘留缺陷數(shù)目增加。在置換氦摻雜情況下，低溫度缺陷的數(shù)目隨著置換He原子濃度的增加而緩慢減少，高溫下缺陷的數(shù)目隨置換He原子濃度的增加而增加。在間隙氦原子摻雜的情況下缺陷數(shù)目隨著氦原子濃度的增加而增加，其增加趨勢(shì)不受溫度影響，但高溫下級(jí)聯(lián)缺陷數(shù)目隨間隙氦濃度增加而增加的速率遠(yuǎn)比低溫度下級(jí)聯(lián)缺陷的增加速率高。

5、　　在金屬V中，置換氦原子濃度的增加導(dǎo)致缺陷數(shù)目增加，PKA能量和環(huán)境溫度的增加均加劇缺陷數(shù)目隨置換氦濃度增加而增加的速率。間隙氦原子的濃度對(duì)級(jí)聯(lián)缺陷的數(shù)目影響極小，PKA能量增加所致缺陷數(shù)目呈直線增加的趨勢(shì)與置換氦摻雜情況下的趨勢(shì)一致。低溫輻照級(jí)聯(lián)缺陷數(shù)目隨PKA能量增加而增加的速率高于高溫下的相應(yīng)速率，與置換氦原子摻雜V和間隙氦摻雜Fe的情況完全相反。此外，金屬V中缺陷數(shù)目呈線性增加的趨勢(shì)與金屬Fe中非線性增加趨勢(shì)差別明顯。

6、　　關(guān)于級(jí)聯(lián)缺陷的分布研究表明，無論對(duì)于Fe還是在V，在摻雜氦和間隙氦摻雜的情況下，級(jí)聯(lián)缺陷均呈殼層分布?？瘴环植加诩?jí)聯(lián)中心，自間隙原子靠外分布，氦原子在級(jí)聯(lián)中心集中分布。
　　關(guān)于級(jí)聯(lián)缺陷的團(tuán)聚問題，在置換氦摻雜的Fe中，缺陷團(tuán)簇的數(shù)目隨著PKA能量的增加而增加，該趨勢(shì)由空位團(tuán)簇?cái)?shù)目隨尺寸的分布趨勢(shì)決定。在間隙氦原子摻雜Fe的情況下，位移級(jí)聯(lián)過程中參與團(tuán)聚的氦原子數(shù)目隨著PKA能量和氦原子濃度的增加而增加。大部分參與團(tuán)聚的氦原子

7、均形成Hen團(tuán)簇，氦-空位復(fù)合體的數(shù)目隨著初級(jí)碰撞原子能量以及雜質(zhì)氦原子濃度的增加而增加。PKA能量越高體系所出現(xiàn)的各尺寸氦-空位團(tuán)簇的數(shù)目則越多，空位團(tuán)簇的數(shù)目隨著氦原子濃度的增加而明顯降低。
　　在金屬V中，兩類氦原子摻雜情況下PKA能量的增加均導(dǎo)致缺陷團(tuán)簇?cái)?shù)目增加。輻照溫度對(duì)不同類型摻雜氦的情況下缺陷團(tuán)簇?cái)?shù)目的影響完全相反，在置換氦摻雜情況下溫度上升導(dǎo)致缺陷團(tuán)簇?cái)?shù)目上升，該趨勢(shì)受空位型缺陷團(tuán)簇主導(dǎo)。而在間隙摻雜情況下，溫度上