隨著人類社會的發(fā)展,能源短缺和環(huán)境污染問題日益嚴峻,可控熱核聚變能的發(fā)展對解決這些問題具有非常重要的意義。在核聚變反應堆運行時,面向等離子體材料(PFM)發(fā)揮著至關重要的作用。由于其高熔點、高熱導率、低物理濺射率和低氫(H)滯留率等優(yōu)良的物理性質(zhì),鎢(W)材料被認為是最有前景的PFM。然而,作為PFM,W在服役過程中將不可避免地受到高通量的H同位素、氦離子和高能中子的輻照,以及各種高強熱流的沖擊,這將對W的結(jié)構(gòu)和熱力學性質(zhì)產(chǎn)生很大的影響,而PFM的服役性能關系到核聚變能是否能夠真正得到應用。在本論文中,我們針對核聚變環(huán)境下W的熱力學等物理性質(zhì)開展了一系列理論上的研究工作,主要內(nèi)容如下:第一章主要對W基PFM在核聚變反應堆中面臨的問題及當前的研究進展做了詳細的介紹。在第二章中,我們對本論文中用到的緊束縛(TB)勢模型和Kubo方法進行了簡單介紹。在第三章中,結(jié)合Kubo方法與TB勢模型,我們對W金屬的電子輸運性質(zhì)進行了研究。研究結(jié)果表明,該方法特別適合于對高溫或缺陷體系的電子輸運性質(zhì)進行計算。我們計算了不同點缺陷(空位和自間隙原子)濃度下W的電子熱導率,發(fā)現(xiàn)點缺陷的存在會顯著降低W的熱輸運性能。在第四章中,我們提出了一種新的適用于大體系TB計算的O(N)方法。該方法基于“divide and conquer”的思想,通過對局部進行求解直接獲得整個體系物理量的近似值。我們將該方法應用于W金屬體系,并證明它是足夠精確的,可以很好地重復出對完整哈密頓矩陣進行精確對角化的結(jié)果。同時,該方法的計算效率也很高,表現(xiàn)出極佳的O(N)特性、較少的內(nèi)存消耗和極高的并行效率等優(yōu)點,使其可以應用于超大體系的TB計算,這為后續(xù)的研究工作奠定了基礎。在第五章中,我們考慮了電子激發(fā)效應,對W材料在電子溫度遠高于離子溫度的非平衡條件下的熱力學性質(zhì)進行了研究。在大量電子激發(fā)下,W的金屬鍵會隨著體系電子溫度的升高逐漸變?nèi)?導致W晶格的劇烈膨脹,而這進一步減弱了W原子間的相互作用,使W的體彈性模量、楊氏模量和點缺陷形成能在高電子溫度下出現(xiàn)大幅度的下降,同時,空位和自間隙原子的擴散速度則會隨著電子溫度的升高迅速增加。進一步的,這還會導致W材料的抗粒子輻照性能在高電子溫度下出現(xiàn)明顯的下降。此外,當體系瞬間處于足夠高的電子溫度下,劇烈的熱膨脹將導致體系在較低的離子溫度下(遠低于熔點)出現(xiàn)內(nèi)部熔化而表面區(qū)域不熔化的反常熔化現(xiàn)象。在第六章中,基于第一性原理計算,我們研究了H原子與W的小角度傾斜晶界的相互作用,以及W、Be、H之間的相互作用。研究結(jié)果表明,W的小角度傾斜晶界可以作為捕獲中心捕獲大量的H原子,導致H氣泡的直接形成。而W的單空位可以溶解多個Be原子形成nBe-Vw(n=1-10)復合體,鄰近該復合體的W空位形成能將顯著降低,促進nBe-Vw復合體的擴張并溶解更多的Be原子,且nBe-VW復合體的存在會顯著降低H在W空位處的滯留。Be原子同樣可以溶解在W的小角度晶界處,少量的Be原子在晶界處的溶解對于H滯留及H氣泡的形成并沒有明顯的影響,而大量Be原子的溶解會促進晶界區(qū)域的擴張。最后,在第七章中,我們對本論文的研究工作做了總結(jié),并對后續(xù)可開展的課題進行了展望。
【學位單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TL627
【部分圖文】：

強磁場約束等離子體并將其加熱至極端高溫以實現(xiàn)可控熱核聚變反應Ｗ。國際熱逡逑核聚變反應實驗堆（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ邋Ｔｈｅｒｍｏｎｕｃｌｅａｒ邋Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ邋Ｒｅａｃｔｏｒ，邋ＩＴＥＲ邋）邋［４］是逡逑目前在建的世界上最大的實驗性托卡馬克核聚變反應堆，其裝置示意圖如圖１．１逡逑所示。該項目啟動于２００６年，由歐盟、中國、美國、俄羅斯等多個國家與地區(qū)逡逑參與，目的在于驗證核聚變發(fā)電的可行性。逡逑靄孺邐

本文編號：2822278