雜質(zhì)原子H-He-C-N-O在金屬釩及其合金中行為的第一性原理研究.pdf

1、能源短缺是制約人類社會(huì)發(fā)展的最重要因素之一，尋找新型替代能源是當(dāng)前的主要任務(wù)。核聚變能由于其清潔、安全等優(yōu)點(diǎn)成為將來(lái)最可能的替代能源。在聚變反應(yīng)中，結(jié)構(gòu)材料選擇尤為關(guān)鍵。氘-氚聚變反應(yīng)產(chǎn)生的高能中子輻照轟擊結(jié)構(gòu)材料發(fā)生嬗變反應(yīng)，產(chǎn)生大量的氫(H)和氦(He)等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)嚴(yán)重影響材料的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其物理、化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，并影響其使用壽命。釩(Ⅴ)作為典型的低活化金屬，是核聚變裝置中結(jié)構(gòu)材料的候選者。實(shí)驗(yàn)表明，H、He、C、N以及O等雜

2、質(zhì)會(huì)對(duì)V的性能產(chǎn)生極大的影響，為了提高V在高溫、高輻射下的性能，通過添加合金化元素鈦(Ti)和鉻(Cr)可以明顯改善其性能。因此，研究嬗變產(chǎn)物和雜質(zhì)以及合金化元素Ti和Cr對(duì)V的結(jié)構(gòu)和性能的影響對(duì)于結(jié)構(gòu)材料的選擇具有重要的意義。在本文中，我們應(yīng)用第一性原理方法，系統(tǒng)研究了嬗變產(chǎn)物(H，He)和外來(lái)雜質(zhì)(C，N)在V中的行為;合金化元素Ti和Cr對(duì)其在V中溶解性能的影響以及雜質(zhì)C對(duì)N/He/O在V中行為的影響。
　　我們研究了合金化

3、元素Ti對(duì)V中H/He行為的影響。結(jié)果表明:(i)在無(wú)缺陷V-Ti合金中，單個(gè)H原子易于占據(jù)T-site;(ii)H原子傾向于在空位聚集，且單個(gè)空位能夠捕獲3個(gè)H原子;(iii) Ti的出現(xiàn)可以增大H在V中的形成能，從而減少空位對(duì)H的捕獲數(shù)量，即添加合金化元素Ti可以抑制H在V中的溶解，從而可以提高V作為結(jié)構(gòu)材料的性能;(iv) Ti的存在增加本征V中He團(tuán)簇以及He與空位之間的形成能，表明Ti能夠抑制He自身以及在空位中聚集成泡;(v

4、)在合金化元素Ti附近，He與Hen-1-vacm小團(tuán)簇之間存在吸引力，對(duì)于給定的m值，間隙位He原子與小團(tuán)簇之間的相互作用隨He原子數(shù)目的增加而減小;對(duì)于給定的n值，間隙位He原子與小團(tuán)簇之間的相互作用隨著空位數(shù)目的增多而變大，這表明Hen-vacm團(tuán)簇附近的應(yīng)力來(lái)源于多個(gè)He原子的聚集。
　　我們研究了V中雜質(zhì)C的存在對(duì)N、He和O雜質(zhì)行為的影響。雜質(zhì)C和N傾向占據(jù)O-site;相比之下，雜質(zhì)N的形成能更低一些。對(duì)于2個(gè)雜質(zhì)原

5、子的情況，C-C、C-N和N-N分別占據(jù)兩個(gè)相鄰的O-site并沿著<111>方向成對(duì)。存在空位時(shí)，雜質(zhì)C和N原子均不占據(jù)空位中心，而是傾向于占據(jù)空位附近的O-site，原因在于雜質(zhì)原子易與基體V原子形成碳化釩或氮化釩。
　　當(dāng)V中雜質(zhì)C和He同時(shí)存在時(shí)，C-He之間的距離為2.39(A)時(shí)溶解能最低，為3.05 eV;當(dāng)C-He之間的距離小于2.39(A)時(shí)，C-He之間存在排斥作用，使得He原子趨向于遠(yuǎn)離C原子。當(dāng)V中存在空位

6、時(shí)，C-vac小團(tuán)簇易于俘獲He原子形成C-vac-Hen團(tuán)簇，其中第一個(gè)He原子最穩(wěn)定的位置距離空位0.92(A)。隨著He原子數(shù)目的增加，C-vac-Hen團(tuán)簇局部應(yīng)力增加將擠走附近的V原子，形成一個(gè)弗蘭克爾(Frankel)缺陷對(duì)并釋放應(yīng)力，從而能夠俘獲更多的He原子形成更大的C-vac-Hen團(tuán)簇。當(dāng)V中存在空位時(shí)，單個(gè)空位最多能容納2個(gè)O原子，最穩(wěn)定的構(gòu)型為2個(gè)O原子分別位于兩個(gè)近鄰的O-site附近（距離空位中心約1.37(

7、A)），它們沿著<100>方向排列。當(dāng)雜質(zhì)C原子存在時(shí)，vac+C小團(tuán)簇對(duì)O原子的俘獲能為-0.899 eV，低于單個(gè)空位對(duì)O的俘獲能。
　　最后我們研究了V-Cr二元合金中合金化元素Cr對(duì)H/He穩(wěn)定性的影響。合金化元素Cr的存在可以增加H和He在V中的溶解能。當(dāng)V-Cr合金中存在空位缺陷時(shí)，單空位最多可以捕獲4個(gè)H原子;而在本征V中，單空位可以捕獲6個(gè)H原子;當(dāng)V-Cr合金中存在空位缺陷時(shí)，He原子傾向于占據(jù)Cr附近的O-si