【摘要】：核聚變能因?yàn)榍鍧崯o(wú)污染,反應(yīng)可控,原料儲(chǔ)量豐富等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是解決人類未來(lái)能源危機(jī)問(wèn)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(zhǎng)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。空位缺陷與雜質(zhì)原子相結(jié)合,隨著時(shí)間的推移長(zhǎng)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(jī)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(shì)法的第一性原理計(jì)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(duì)氦原子的捕獲機(jī)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(qiáng)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(tuán)簇(HenVm)的穩(wěn)定性以及氦泡形成的微觀機(jī)制,本論文計(jì)算了缺陷-缺陷之間的結(jié)合能,分別考察了HenVm團(tuán)簇與雜質(zhì)氦原子、單空位之間的相互作用。發(fā)現(xiàn)HenVm團(tuán)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(tuán)簇與空位的吸引作用更強(qiáng)。同時(shí)研究了Hen/Vm率變化時(shí)對(duì)HenVm團(tuán)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(duì)氦原子的捕獲能力,分別計(jì)算了不同數(shù)量的氦原子被7原子小空洞捕獲時(shí)的捕獲能,發(fā)現(xiàn)7原子小空洞最多可以捕獲13個(gè)氦原子。同時(shí),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(shí)結(jié)構(gòu)材料的內(nèi)壓,發(fā)現(xiàn)捕獲13個(gè)氦原子后,6H-SiC晶體內(nèi)的內(nèi)壓高達(dá)2.5 GPa,與實(shí)驗(yàn)值0.8 GPa相當(dāng)。釩合金具有優(yōu)良的高溫強(qiáng)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(lái)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(shí)的材料中,空位缺陷的直徑達(dá)納米量級(jí)。為了研究不同尺寸空位缺陷對(duì)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(duì)氦原子的捕獲行為。研究發(fā)現(xiàn)：?jiǎn)慰瘴缓?原子小空洞(直徑約0.6 nm)分別可以捕獲18和66個(gè)氦原子,相應(yīng)的內(nèi)壓分別高達(dá)7.5和19.3 GPa。說(shuō)明小空洞對(duì)氦原子的捕獲能力強(qiáng)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(tuán)簇與“氣相”Hen團(tuán)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(tuán)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(jī)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(shí)驗(yàn)表明合金元素鉻(Cr)和鎢(w)對(duì)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(duì)氦原子穩(wěn)定占據(jù)位以及擴(kuò)散性能的影響。通過(guò)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(shí),為了闡明輻照初期合金元素對(duì)氦原子自捕獲的影響,分別研究了氦-氦雜質(zhì)對(duì)靠近鉻、鎢原子時(shí)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(duì)空位捕獲氦原子的影響,考察了鉻、鎢存在時(shí)空位捕獲氦原子時(shí)捕獲能的變化,發(fā)現(xiàn)鉻、鎢存在均降低了空位對(duì)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(duì)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?jī)?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(jìn)一步研究了同種雜質(zhì)原子對(duì)之間的相互作用,雜質(zhì)對(duì)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(kuò)散能力的強(qiáng)弱,利用搜索過(guò)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(kuò)散系數(shù)。根據(jù)Arrhenius擴(kuò)散方程,預(yù)測(cè)了氧、氮、碳原子在不同溫度下的擴(kuò)散系數(shù)。
【圖文】：

從1971至

從安全性能、環(huán)境污染及經(jīng)濟(jì)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?yàn)閘－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(shí)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(diǎn)主要有レッ下Ｈ個(gè)方面Ｕ，３－ｙ：邋１）原料儲(chǔ)量豐富，逡逑一升海水中約含有３０毫克l，通過(guò)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(chǔ)量約４５萬(wàn)億噸，足夠人類使用上百億年，雖然自然界l#逡逑的儲(chǔ)量極少，但是用于產(chǎn)生佩的堘儲(chǔ)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(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TL627

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6 楊向東,蔣德瓊,張繼彥,孫桂華,經(jīng)福謙;氫(氘、氚)分子與低能氦原子(E=0.1eV)碰撞研究[J];四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版);2001年01期

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9 黃崇圣;;氦原子的線形變分波函數(shù)[J];成都科技大學(xué)學(xué)報(bào);1980年02期

10 ;[J];;年期

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本文編號(hào)：2644436