【摘要】：氫同位素在材料中的滲透與滯留關(guān)系到聚變堆的經(jīng)濟(jì)性與安全性,是實(shí)現(xiàn)可控核聚變需要解決的關(guān)鍵問題。低活化鐵素體/馬氏體鋼是未來聚變堆包層結(jié)構(gòu)材料的主要候選合金。在聚變堆中,材料受到高能中子輻照發(fā)生離位損傷,產(chǎn)生大量點(diǎn)缺陷,點(diǎn)缺陷經(jīng)過遷移和聚集能夠演化成更為復(fù)雜的本征缺陷,例如位錯(cuò)、位錯(cuò)環(huán)和空洞等。這些本征缺陷將影響氫同位素在材料中的擴(kuò)散、滲透和滯留行為。本論文選擇體心立方鐵(α鐵)作為研究對(duì)象,采用原子尺度的計(jì)算模擬方法,包括分子靜力學(xué)計(jì)算、分子動(dòng)力學(xué)模擬、基因算法系統(tǒng)地研究了氫原子在α鐵中的擴(kuò)散性質(zhì)以及各種不同的本征缺陷與氫原子的相互作用。這些計(jì)算模擬結(jié)果有助于理解氫同位素在低活化鋼中的擴(kuò)散、滲透和滯留行為以及不同類型的本征缺陷對(duì)氫同位素?cái)U(kuò)散、滲透和滯留行為的影響機(jī)制,并為將來更大尺度的模擬提供重要的輸入?yún)?shù)。根據(jù)不同的缺陷類型,本論文的研究?jī)?nèi)容分為以下四部分。(1)氫原子在理想α鐵中的擴(kuò)散性質(zhì)以及點(diǎn)缺陷對(duì)其的影響。我們首先通過分子靜力學(xué)的方法確定了氫原子在α鐵晶格中主要以單原子的形式擴(kuò)散。然后通過分子動(dòng)力學(xué)模擬,采用均方位移法確定了氫原子在理想α鐵中不同溫度下的擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)而得到不同溫度區(qū)間內(nèi)的擴(kuò)散前因子和擴(kuò)散激活能,這些定量的數(shù)據(jù)與密度泛函理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果都十分吻合。進(jìn)一步,我們研究了不同濃度的自間隙原子和空位對(duì)氫原子擴(kuò)散的影響機(jī)制。我們發(fā)現(xiàn)這兩種點(diǎn)缺陷都能抑制氫原子的擴(kuò)散,這種抑制作用隨著溫度的升高而減弱,特別地,當(dāng)溫度高于550K時(shí),自間隙原子對(duì)氫原子擴(kuò)散的影響幾乎可以忽略不計(jì)。(2)α鐵中刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)附近氫原子的分布和遷移機(jī)制。我們首先通過分子靜力學(xué)的方法計(jì)算了α鐵中1/2111{110}刃位錯(cuò)和1/2111螺位錯(cuò)附近的應(yīng)力分布和氫原子結(jié)合能分布,分析了結(jié)合能和應(yīng)力之間的關(guān)聯(lián),并預(yù)測(cè)了氫原子在位錯(cuò)核心附近可能的遷移路徑。進(jìn)一步地,我們利用Nudged Elastic Band(NEB)算法計(jì)算氫原子在位錯(cuò)核心處各種不同遷移路徑的遷移能壘。我們的計(jì)算結(jié)果表明:這兩種位錯(cuò)都不能為氫原子提供快速擴(kuò)散通道。同時(shí),根據(jù)我們的計(jì)算結(jié)果,我們預(yù)測(cè)了不同溫度下氫原子在這兩種位錯(cuò)核心處的擴(kuò)散方式。最后,我們通過分子動(dòng)力學(xué)方法模擬了不同溫度下氫原子在這兩種位錯(cuò)核心處的擴(kuò)散過程,給出了氫原子的擴(kuò)散軌跡,驗(yàn)證了NEB計(jì)算的預(yù)測(cè)。(3)α鐵中的空位型位錯(cuò)環(huán)的形成機(jī)制以及氫原子和位錯(cuò)環(huán)的相互作用。我們利用基因算法搜尋α鐵中空位團(tuán)簇的能量最小化構(gòu)型。通過動(dòng)力學(xué)退火弛豫和分子靜力學(xué)計(jì)算得到了三維空位團(tuán)簇和空位-氫團(tuán)簇以及{111}、{110}和{211}面上的二維空位團(tuán)簇和空位-氫團(tuán)簇的形成能與結(jié)合能。我們的計(jì)算結(jié)果表明α鐵中二維空位團(tuán)簇的形成能遠(yuǎn)大于三維空位團(tuán)簇的形成能,因此通常情況下空位聚集形成空洞而無法形成空位型位錯(cuò)環(huán)。然而,當(dāng)空位捕獲氫原子后,由于氫原子占位的方向性,這些空位-氫團(tuán)簇更趨向于在{211}面上聚集,形成位于{211}慣性面,伯氏矢量為100的空位型位錯(cuò)環(huán)。我們的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)的現(xiàn)象吻合并對(duì)這種現(xiàn)象給出了解釋。進(jìn)一步地,我們研究了位錯(cuò)環(huán)與氫原子的相互作用。通過分子靜力學(xué)方法計(jì)算了位錯(cuò)環(huán)對(duì)空位、自間隙原子和氫原子的捕獲能,發(fā)現(xiàn)氫原子與100空位型位錯(cuò)環(huán)具有很強(qiáng)的相互作用,在被空位型位錯(cuò)環(huán)捕獲后可以顯著地降低系統(tǒng)的能量并增強(qiáng)空位型位錯(cuò)環(huán)對(duì)空位的捕獲能力,減弱空位型位錯(cuò)環(huán)對(duì)自間隙原子的捕獲能力,從而促進(jìn)空位型位錯(cuò)環(huán)的生長(zhǎng)。(4)α鐵中空位團(tuán)簇對(duì)氫原子的捕獲以及氫原子在空洞中的行為機(jī)制。基于α鐵中空位團(tuán)簇的能量最小化構(gòu)型,我們利用動(dòng)力學(xué)退火弛豫和分子靜力學(xué)計(jì)算研究了空位團(tuán)簇對(duì)氫原子的捕獲以及氫原子對(duì)空位團(tuán)簇生長(zhǎng)的影響。氫原子被空位團(tuán)簇捕獲后結(jié)合在空位團(tuán)簇表面的八面體間隙位,我們給出了被捕獲氫原子飽和值與空位團(tuán)簇尺寸之間的擬合公式并發(fā)現(xiàn)氫原子能夠抑制空位團(tuán)簇的生長(zhǎng)。進(jìn)一步地,我們通過分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法,研究了氫原子在納米空洞中的行為機(jī)制。我們發(fā)現(xiàn)氫原子被空洞捕獲后主要以原子態(tài)結(jié)合在空洞表面的八面體間隙位,少量以分子態(tài)位于空洞內(nèi)部。當(dāng)空洞中的氫濃度達(dá)到過飽和時(shí),空洞內(nèi)的氫分子將分解為氫原子向空洞外滲透并引起空洞的塌縮。本論文較為系統(tǒng)地研究了氫原子在α鐵中的擴(kuò)散性質(zhì)以及氫原子與各種本征缺陷的相互作用,包括本征缺陷對(duì)氫原子的捕獲、本征缺陷對(duì)氫原子遷移機(jī)制的影響,以及氫原子對(duì)本征缺陷形成和演化的影響。這些成果能夠?yàn)闅渫凰卦诘突罨撝械臄U(kuò)散,滲透和滯留行為的研究提供重要參考。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TL627
【圖文】：

圖（Ｌ１．４）中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（ＣＦＥＴＲ）設(shè)計(jì)圖１Ｉ６Ｌ逡逑１．邋２包層結(jié)構(gòu)材料逡逑包層是聚變堆的核心部件，主要由第一壁、氚增殖區(qū)和結(jié)構(gòu)組件構(gòu)成。它的逡逑主要作用有：１、氚增殖，維持聚變反應(yīng)所需要的l#，實(shí)現(xiàn)氚自持；２、能量增益，逡逑將聚變粒子的能量轉(zhuǎn)換為熱能和電能等可利用的能量；３、輻射屏蔽，包容放射逡逑性物質(zhì)，減少放射性物質(zhì)的擴(kuò)散。逡逑在聚變堆中，包層結(jié)構(gòu)材料面臨極其嚴(yán)苛的服役環(huán)境。高溫、高能中子輻照、逡逑電磁輻射、高熱負(fù)荷、復(fù)雜的機(jī)械負(fù)荷和物理與化學(xué)沖擊等環(huán)境要求包層結(jié)構(gòu)材逡逑料具有優(yōu)良的抗輻照和低活化性能。目前包層結(jié)構(gòu)材料的主要選擇有奧氏體不銹逡逑鋼、低活化鐵素體／馬氏體（ＲＡＦＭ）鋼、釩合金和ＳｉＣ／ＳｉＣ復(fù)合材料。其中，奧逡逑氏體不銹鋼己被廣泛應(yīng)用于裂變堆中，具有完備的數(shù)據(jù)庫，良好的焊接與加工性逡逑能，是ＩＴＥＲ屏蔽包層所使用的材料。但由于奧氏體不銹鋼的熱導(dǎo)率低，抗輻照逡逑和低活化性能差，無法用于未來的聚變堆。釩合金和ＳｉＣ／ＳｉＣ復(fù)合材料具有優(yōu)秀逡逑耐高溫和抗輻照性能，是未來聚變堆包層結(jié)構(gòu)材料十分理想的選擇，然而因?yàn)檫@逡逑

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本文編號(hào)：2748000