隨著人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展,能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻,可控?zé)岷司圩兡艿陌l(fā)展對(duì)解決這些問(wèn)題具有非常重要的意義。在核聚變反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí),面向等離子體材料(PFM)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。由于其高熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)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(rèn)為是最有前景的PFM。然而,作為PFM,W在服役過(guò)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(qiáng)熱流的沖擊,這將對(duì)W的結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生很大的影響,而PFM的服役性能關(guān)系到核聚變能是否能夠真正得到應(yīng)用。在本論文中,我們針對(duì)核聚變環(huán)境下W的熱力學(xué)等物理性質(zhì)開(kāi)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(duì)W基PFM在核聚變反應(yīng)堆中面臨的問(wèn)題及當(dāng)前的研究進(jìn)展做了詳細(xì)的介紹。在第二章中,我們對(duì)本論文中用到的緊束縛(TB)勢(shì)模型和Kubo方法進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。在第三章中,結(jié)合Kubo方法與TB勢(shì)模型,我們對(duì)W金屬的電子輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明,該方法特別適合于對(duì)高溫或缺陷體系的電子輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行計(jì)算。我們計(jì)算了不同點(diǎn)缺陷(空位和自間隙原子)濃度下W的電子熱導(dǎo)率,發(fā)現(xiàn)點(diǎn)缺陷的存在會(huì)顯著降低W的熱輸運(yùn)性能。在第四章中,我們提出了一種新的適用于大體系TB計(jì)算的O(N)方法。該方法基于“divide and conquer”的思想,通過(guò)對(duì)局部進(jìn)行求解直接獲得整個(gè)體系物理量的近似值。我們將該方法應(yīng)用于W金屬體系,并證明它是足夠精確的,可以很好地重復(fù)出對(duì)完整哈密頓矩陣進(jìn)行精確對(duì)角化的結(jié)果。同時(shí),該方法的計(jì)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(diǎn),使其可以應(yīng)用于超大體系的TB計(jì)算,這為后續(xù)的研究工作奠定了基礎(chǔ)。在第五章中,我們考慮了電子激發(fā)效應(yīng),對(duì)W材料在電子溫度遠(yuǎn)高于離子溫度的非平衡條件下的熱力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究。在大量電子激發(fā)下,W的金屬鍵會(huì)隨著體系電子溫度的升高逐漸變?nèi)?導(dǎo)致W晶格的劇烈膨脹,而這進(jìn)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(diǎn)缺陷形成能在高電子溫度下出現(xiàn)大幅度的下降,同時(shí),空位和自間隙原子的擴(kuò)散速度則會(huì)隨著電子溫度的升高迅速增加。進(jìn)一步的,這還會(huì)導(dǎo)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(dāng)體系瞬間處于足夠高的電子溫度下,劇烈的熱膨脹將導(dǎo)致體系在較低的離子溫度下(遠(yuǎn)低于熔點(diǎn))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(jì)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(dǎo)致H氣泡的直接形成。而W的單空位可以溶解多個(gè)Be原子形成nBe-Vw(n=1-10)復(fù)合體,鄰近該復(fù)合體的W空位形成能將顯著降低,促進(jìn)nBe-Vw復(fù)合體的擴(kuò)張并溶解更多的Be原子,且nBe-VW復(fù)合體的存在會(huì)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(duì)于H滯留及H氣泡的形成并沒(méi)有明顯的影響,而大量Be原子的溶解會(huì)促進(jìn)晶界區(qū)域的擴(kuò)張。最后,在第七章中,我們對(duì)本論文的研究工作做了總結(jié),并對(duì)后續(xù)可開(kāi)展的課題進(jìn)行了展望。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：TL627
【部分圖文】：

強(qiáng)磁場(chǎng)約束等離子體并將其加熱至極端高溫以實(shí)現(xiàn)可控?zé)岷司圩兎磻?yīng)Ｗ。國(guó)際熱逡逑核聚變反應(yīng)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)性托卡馬克核聚變反應(yīng)堆，其裝置示意圖如圖１．１逡逑所示。該項(xiàng)目啟動(dòng)于２００６年，由歐盟、中國(guó)、美國(guó)、俄羅斯等多個(gè)國(guó)家與地區(qū)逡逑參與，目的在于驗(yàn)證核聚變發(fā)電的可行性。逡逑靄孺邐

本文編號(hào)：2822278