鉻釩摻雜對(duì)鎢的性能影響的第一性原理研究.pdf

1、核聚變被公認(rèn)為是解決未來能源短缺問題的終極方案之一。由于鎢具有熔點(diǎn)高、熱導(dǎo)性好、濺射率低等優(yōu)點(diǎn)，因此它被廣泛地認(rèn)為是最具潛力的面向等離子體材料和第一壁材料的候選材料，它被考慮用在國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)、中國(guó)聚變工程示范堆(CFETR)等聚變反應(yīng)堆中。在聚變反應(yīng)堆中，鎢會(huì)受到強(qiáng)流低能的氫氦粒子流的作用。當(dāng)氫氦粒子進(jìn)入鎢中，不可避免地會(huì)對(duì)鎢的性能造成不利影響，若大量的氫氦粒子在鎢中聚集形成氫泡或氦泡這將嚴(yán)重縮短鎢在聚變堆中的服役壽命

2、。當(dāng)氫氦粒子在鎢的面向等離子體的一面聚集會(huì)造成鎢表面的起泡或“長(zhǎng)毛”，將雜質(zhì)引入到聚變等離子體中，對(duì)聚變堆的穩(wěn)定運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。聚變堆中還存在大量的高能聚變中子，在高能聚變中子的轟擊下，鎢中會(huì)形成大量的空位和自間隙原子。因此，研究清楚鎢中氫氦的行為、氫氦與鎢中空位的相互作用和氫氦與鎢中自間隙原子間的相互作用對(duì)鎢基面向等離子體材料的發(fā)展是非常重要的。在鎢中摻入適當(dāng)?shù)暮辖鹪夭坏軌蚋纳奇u的機(jī)械性能，而且它們也能夠成為氫氦的聚集中心，從而

3、把鎢中氫氦輸運(yùn)到一個(gè)合適的地方沉積，這樣就可以延長(zhǎng)鎢在聚變堆的服役壽命。本文通過基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法研究了鎢中氫氦的行為、氫氦與鎢中空位的相互作用、氫泡或氦泡在鎢中的形核機(jī)理、鉻釩對(duì)鎢的性能影響以及鉻釩對(duì)鎢中氫氦的影響，具體的研究結(jié)果如下:
　　1.氫在鎢中傾向于占據(jù)四面體間隙位、氦傾向于占據(jù)八面體間隙位，因?yàn)闅浜ぴ谶@些地方形成點(diǎn)缺陷的形成能最低。
　　2.空位對(duì)鎢中氫氦的吸引作用較強(qiáng)，一個(gè)空位最多能夠吸引1

4、2個(gè)氫原子，一個(gè)空位最大可以吸引14個(gè)氦原子?？瘴粚?duì)鎢中氫的吸引作用主要是由于空位產(chǎn)生的局部應(yīng)力，而空位對(duì)鎢中氦的吸引作用是空位產(chǎn)生的局部應(yīng)力和電荷密度減少的共同作用。
　　3.空位對(duì)鎢中氫泡和氦泡的形核具有重要作用，當(dāng)空位與鎢中氫氦聚集成團(tuán)時(shí)，鄰近集團(tuán)的鎢原子的穩(wěn)定性急劇下降，在原來集團(tuán)附近產(chǎn)生新的空位，新的空位又吸引更多的氫氦原子，因而鎢中氫泡和氦泡在空位的幫助下不斷聚集直到破裂。
　　4.鉻釩摻入鎢中會(huì)使其機(jī)械強(qiáng)度下降

5、和延展性增加，造成這種改變的原因是鉻與鎢之間以及釩與鎢之間的相互作用均稍弱于鎢與鎢之間的相互作用。
　　5.鉻釩對(duì)鎢中氫氦均具有吸引作用，且吸引作用的強(qiáng)弱與氫氦所處位置有關(guān)，鉻釩對(duì)鎢中氫氦的吸引作用弱于空位對(duì)鎢中氫氦的吸引作用，因?yàn)殂t釩帶來的局部應(yīng)力和電荷密度的減少均不如空位產(chǎn)生的影響強(qiáng)烈。
　　通過本文的研究工作能夠從原子尺度上去認(rèn)識(shí)和理解氫氦在鎢中的行為、氫氦與鎢中空位的相互作用、氫泡和氦泡在鎢中的形核機(jī)理、鉻釩對(duì)鎢的性