【摘要】：核聚變能因為清潔無污染,反應(yīng)可控,原料儲量豐富等優(yōu)點被認(rèn)為是解決人類未來能源危機問題的終極方案。在聚變反應(yīng)堆的極端環(huán)境下,第一壁結(jié)構(gòu)材料需要長期承受高溫、以及高通量的高能(14 MeV)中子輻照。特殊的工作環(huán)境要求結(jié)構(gòu)材料必須具有優(yōu)良的熱力學(xué)性能、低活化特性、抗中子輻照等。中子輻照使得結(jié)構(gòu)材料內(nèi)產(chǎn)生大量的空位缺陷以及雜質(zhì)氫、氦原子�？瘴蝗毕菖c雜質(zhì)原子相結(jié)合,隨著時間的推移長大形成氫泡、氦泡,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)材料的腫脹和脆化,使得材料的機械性能明顯降低。本論文采用基于密度泛函理論和平面波贗勢法的第一性原理計算方法,在原子尺度上研究了三種聚變堆候選結(jié)構(gòu)材料(低活化鋼、釩合金和碳化硅復(fù)合材料)中氦原子等雜質(zhì)的行為,例如空位對氦原子的捕獲機制以及合金元素效應(yīng)等,希望所獲得的理論結(jié)果能為理解輻照初期雜質(zhì)原子的影響提供一些有效的幫助。碳化硅(Sic)復(fù)合材料由于具有良好的高溫強度、耐腐蝕等特性而被考慮作為聚變堆結(jié)構(gòu)材料的候選材料之一。為了研究6H-SiC晶體中氦-空位團簇(HenVm)的穩(wěn)定性以及氦泡形成的微觀機制,本論文計算了缺陷-缺陷之間的結(jié)合能,分別考察了HenVm團簇與雜質(zhì)氦原子、單空位之間的相互作用。發(fā)現(xiàn)HenVm團簇與雜質(zhì)氦原子和單空位之間均存在吸引作用,與氦原子相比,HenVm團簇與空位的吸引作用更強。同時研究了Hen/Vm率變化時對HenVm團簇與氦原子、空位結(jié)合能的影響。為了研究6H-SiC晶體中的空位缺陷對氦原子的捕獲能力,分別計算了不同數(shù)量的氦原子被7原子小空洞捕獲時的捕獲能,發(fā)現(xiàn)7原子小空洞最多可以捕獲13個氦原子。同時,為了考察捕獲大量的氦原子后導(dǎo)致結(jié)構(gòu)材料內(nèi)內(nèi)壓的變化,我們提取了捕獲不能數(shù)量氦原子時結(jié)構(gòu)材料的內(nèi)壓,發(fā)現(xiàn)捕獲13個氦原子后,6H-SiC晶體內(nèi)的內(nèi)壓高達(dá)2.5 GPa,與實驗值0.8 GPa相當(dāng)。釩合金具有優(yōu)良的高溫強度、低中子輻照活化、抗輻照腫脹和抗高溫蠕變等特性,被認(rèn)為是未來聚變反應(yīng)堆第一壁結(jié)構(gòu)材料的主要候選材料之一。目前,大量的研究工作主要關(guān)注氦原子與小尺寸空位缺陷之間的相互作用,而在真實的材料中,空位缺陷的直徑達(dá)納米量級。為了研究不同尺寸空位缺陷對氦原子的捕獲能力,采用原子尺度模擬方法,考察了中子輻照初期,釩固體中單空位和納米尺寸空洞對氦原子的捕獲行為。研究發(fā)現(xiàn)：單空位和9原子小空洞(直徑約0.6 nm)分別可以捕獲18和66個氦原子,相應(yīng)的內(nèi)壓分別高達(dá)7.5和19.3 GPa。說明小空洞對氦原子的捕獲能力強于單空位；大量的氦原子被空位缺陷捕獲之后引起空位空間膨脹導(dǎo)致很高的內(nèi)壓。為了考察由于晶格釩原子的限制,導(dǎo)致被限制在有限空間內(nèi)氦原子之間距離的變化,分別比較了空位缺陷內(nèi)Hen團簇與“氣相”Hen團簇中氦原子的結(jié)構(gòu)構(gòu)型與平均距離分布,徑向函數(shù)分布與不同環(huán)境中He。團簇構(gòu)型圖給出了同樣的結(jié)論。低活化鐵素體/馬氏體(RAFM)鋼在輻照環(huán)境下具有優(yōu)良的機械性能和抗腫脹特性,被認(rèn)為是聚變反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料的主要候選材料之一。RAFM鋼的主要成分為Fe-Cr-W三元合金。大量的實驗表明合金元素鉻(Cr)和鎢(w)對低活化鋼的力學(xué)性能、抗輻照能力具有重要影響。因此,我們首先研究了體心立方結(jié)構(gòu)鐵基合金中,合金元素鉻和鎢的存在對氦原子穩(wěn)定占據(jù)位以及擴散性能的影響。通過不同數(shù)量的鉻、鎢原子置換間隙氦原子周圍的鐵原子,發(fā)現(xiàn)氦原子的穩(wěn)定占據(jù)位仍為四面體間隙位,不受鉻原子濃度變化的影響。為了解釋氦原子總是傾向于遠(yuǎn)離鎢原子的原因,分別考察了兩種合金元素與氦原子之間的相互作用。同時,為了闡明輻照初期合金元素對氦原子自捕獲的影響,分別研究了氦-氦雜質(zhì)對靠近鉻、鎢原子時結(jié)合能的變化,發(fā)現(xiàn)鉻有利于氦原子自捕獲,而鎢原子阻礙氦原子自捕獲。為了研究合金元素對空位捕獲氦原子的影響,考察了鉻、鎢存在時空位捕獲氦原子時捕獲能的變化,發(fā)現(xiàn)鉻、鎢存在均降低了空位對氦原子的捕獲能力。以上的工作主要研究了雜質(zhì)氦原子在三種結(jié)構(gòu)材料中的行為,及其與空位缺陷之間的相互作用,但是,結(jié)構(gòu)材料內(nèi)一些微量溶質(zhì)元素對結(jié)構(gòu)材料性能的影響也不容忽略。因此,本論文最后一部分研究內(nèi)容主要關(guān)注釩固體中微量溶質(zhì)元素氧、氮、碳原子的基本行為。首先研究了三種雜質(zhì)原子的穩(wěn)定占據(jù)位,均為八面體間隙位。為了研究同種雜質(zhì)原子之間是否存在偏聚作用,基于以上結(jié)論,進一步研究了同種雜質(zhì)原子對之間的相互作用,雜質(zhì)對之間的相互作用距離大約為3A。最后,為了研究三種雜質(zhì)原子擴散能力的強弱,利用搜索過渡態(tài)的NEB方法研究了三種雜質(zhì)原子的遷移能壘,以及擴散系數(shù)。根據(jù)Arrhenius擴散方程,預(yù)測了氧、氮、碳原子在不同溫度下的擴散系數(shù)。
【圖文】：

從1971至

從安全性能、環(huán)境污染及經(jīng)濟等方面考慮，核聚變能成為最受關(guān)注的新能源之一。逡逑因為l－l#（Ｄ－Ｔ）聚變反應(yīng)比其它聚變反應(yīng)（例如Ｄ－Ｄ聚變反應(yīng)）要求低，容易實現(xiàn)，，逡逑因此它是受控核聚變首要攻克目標(biāo)。圖１．２給出了邋Ｄ－Ｔ聚變反應(yīng)示意圖。聚變反應(yīng)表達(dá)逡逑式為：逡逑ｆ邋Ｄ邋＋Ｊ邋Ｔ邐Ｈｅ邋＋０邋ｎ邋＋１７．６ＭｅＶ邐（１．１）逡逑其中，＾Ｈｅ為ａ粒子，是氮（Ｈｅ）的一種同位素，ｎ表示中子。聚變反應(yīng)產(chǎn)生的Ｈｅ原子、逡逑中子都具有很高的能量。聚變能的優(yōu)點主要有レッ下Ｈ個方面Ｕ，３－ｙ：邋１）原料儲量豐富，逡逑一升海水中約含有３０毫克l，通過聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量相當(dāng)于燃燒３００升汽油產(chǎn)生的逡逑熱能，而地球上海水中l(wèi)的儲量約４５萬億噸，足夠人類使用上百億年，雖然自然界l#逡逑的儲量極少，但是用于產(chǎn)生佩的堘儲量十分豐富，２）聚變反應(yīng)產(chǎn)物主要是氮原子高能逡逑－２－逡逑
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TL627

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本文編號：2644436