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。聚變核能因其獨特優(yōu)勢而被認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。
　　針對低活化鐵素體/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勢的基礎(chǔ)上采用分子動力學(xué)方法全面系統(tǒng)地研究了Fe中氦原子濃度、氦原子位置、輻照溫度以及初級碰撞原子能量對位移級聯(lián)的影響，重點討論了原子離位、缺陷數(shù)目、缺陷的分布和團聚受輻照條件的影響。其次，針對金屬V，我們在第一性原理計算結(jié)果的基礎(chǔ)上構(gòu)建了準確的V-He原子間相互作用勢，并采用分子動力學(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V中原子離位過

3、程、缺陷數(shù)目、缺陷分布與團聚的影響。通過對比反映了金屬Fe和V在雜質(zhì)氦摻雜情況下級聯(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，氦原子團簇多以具有高對稱性的構(gòu)型出現(xiàn)。氦原子在金屬V中擴散勢壘僅為0.06電子伏特，其擴散路徑:從四面體間隙位置遷移到另外一個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，無論對于置換氦摻雜還是間隙氦摻雜的情況，初級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，其增加趨勢不受溫度影響，但高溫下級聯(lián)缺陷數(shù)目隨間隙氦濃度增加而增加的速率遠比低溫度下級聯(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級聯(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與置換氦摻雜情況下的趨勢一致。低溫輻照級聯(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與金屬Fe中非線性增加趨勢差別明顯。

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

7、均形成Hen團簇，氦-空位復(fù)合體的數(shù)目隨著初級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-空位團簇的數(shù)目則越多，空位團簇的數(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)致缺陷團簇數(shù)目增加。輻照溫度對不同類型摻雜氦的情況下缺陷團簇數(shù)目的影響完全相反，在置換氦摻雜情況下溫度上升導(dǎo)致缺陷團簇數(shù)目上升，該趨勢受空位型缺陷團簇主導(dǎo)。而在間隙摻雜情況下，溫度上