钨基材料中氦行为的第一性原理研究

发布时间：2024-12-26 04:48

　　钨(W)材料以其高熔点,高导热系数,优异的高温力学性能和低氘/氚滞留等特点被认为是面向等离子体材料(PFMs)的最主要候选材料。在聚变服役过程中,氦(He)作为核聚变产物在钨材料中的溶解度低,易发生扩散和聚集,将导致钨材料表面起皱、起泡、形成纳米绒毛等辐照损伤,随即发生开裂和剥落,导致材料服役性能降低甚至失效,严重威胁核聚变堆的安全运行。因此,研究氦在钨中行为,对钨基材料在聚变堆中的应用具有重要意义。为阐明钨基材料中固有缺陷、非金属原子和金属原子以及它们之间的协同作用对氦在钨中的溶解、扩散和捕获行为的影响,本论文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,以空位、氮和锆原子为例,研究了其对氦溶解、扩散、捕获行为的影响。另外,研究了锆元素对钨力学性能的影响。主要研究成果如下:1、空位作为金属钨中固有缺陷,以及常见的中子辐照缺陷,在较大缺陷的成核、演化和动力学行为中起着至关重要的作用。为了研究空位(Vac)缺陷环境下氦在钨中的溶解行为,通过计算分析氦在钨中不同位置的溶解能,发现氦原子的最稳定位置是空位,且氦原子在四面体间隙位(TIS)比在八面体间隙位(OIS)更稳定。同时结合过渡态理论,运用C...

【文章页数】：130 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

图２－１?ｍＭ聚变反应示意图??

北京科技大学博士学位论文??２文献综述??２．１面向等离子体材料的工况??核聚变反应是几个原子核聚合成一个原子核，同时释放出巨大能量的过??程，是最有望解决人类能源问题的有效途径之一。在聚变反应中氘氚聚合反??应（２Ｄ＋３Ｔ—４Ｈｅ＋ｎ＋１７．５８?ＭｅＶ，如图２－１所示），因为....

图２－２?ＩＴＥＲ中ＰＦＭｓ示意图??

北京科技大学博士学位论文??集中，形成大块聚集体的趋势［８，９］。??麵祕??ｊ??图２－２?ＩＴＥＲ中ＰＦＭｓ示意图??以上各种问题与聚变堆运行的高温环境共同作用，导致ＰＦＭｓ物理性能??的改变特别是宏观力学性能的退化，并会破坏ＰＦＭｓ的稳定性和结构完整性，??最终影响到聚变堆....

图２－３钨材料在辐照过程中的四种损伤类型：（ａ）裂纹［１９］，?（ｂ）起泡［２Ｇ］，?（ｃ）孔洞［２１］??（ｄ）纳米绒毛［２０］

北京科技大学博士学位论文??其中氘氚聚变反应所产生的Ｈｅ?（通常带有较大的能量）以及嬗变反应产生的??Ｈｅ都会与钨相互作用，从而导致钨结构损伤和性能变化，因此研宄Ｈｅ引起??的Ｗ的损伤及其形成机制具有重要意义。氦引起的钨材料的表面损伤主要裂??纹、起泡、孔洞和纳米绒毛［１９＝１］....

图２－４钨材料表面氦气泡的形成示意图ｔ％

北京科技大学博士学位论文??其中氘氚聚变反应所产生的Ｈｅ?（通常带有较大的能量）以及嬗变反应产生的??Ｈｅ都会与钨相互作用，从而导致钨结构损伤和性能变化，因此研宄Ｈｅ引起??的Ｗ的损伤及其形成机制具有重要意义。氦引起的钨材料的表面损伤主要裂??纹、起泡、孔洞和纳米绒毛［１９＝１］....

本文编号：4020557