掺氦Fe和V中辐照效应的原子模拟

发布时间：2020-04-18 03:44

【摘要】：现今能源和环境问题备受关注,资源丰富且清洁环保能源的开发任务日益紧迫。聚变核能因其独特优势而被认作未来解决能源与环境问题的有效途径之一。高性能材料的研发是当前聚变核能发展的关键问题之一,低活化铁素体/马氏体钢(RAFM)和V合金作为未来聚变反应堆结构材料具有重要的应用前景。低活化Fe素体/马氏体刚和V合金作为聚变反应堆第一壁和包层材料应用面临高能粒子辐照和嬗变氦积累的考验。针对低活化铁素体/马氏体钢和V合金主要成分—Fe和V,本文首先在现有Fe-He势的基础上采用分子动力学方法全面系统地研究了Fe中氦原子浓度、氦原子位置、辐照温度以及初级碰撞原子能量对位移级联的影响,重点讨论了原子离位、缺陷数目、缺陷的分布和团聚受辐照条件的影响。其次,针对金属V,我们在第一原理计算结果的基础上构建了准确的V-He原子间相互作用势,并采用分子动力学方法研究了V中氦原子的基本行为。在此基础上,我们最后分别研究了置换氦和间隙氦掺杂情况下氦浓度、辐照温度以及能量对V中原子离位过程、缺陷数目、缺陷分布与团聚的影响。通过对比反映了金属Fe和V在杂质氦掺杂情况下级联结果的异同。研究发现,氦原子在金属V中优先占据四面体间隙位置,氦原子团簇多以具有高对称性的构型出现。氦原子在金属V中扩散势垒仅为0.06电子伏特,其扩散路径:从四面体间隙位置迁移到另外一个最近邻的四面体间隙位置而非跨越八面体间隙位,与金属Fe中间隙氦原子的扩散相类似。金属V中氦原子之间的结合能极低,氦原子在金属V中的捕获主要依赖于实现存在于晶格中的缺陷,其自捕获发生概率极低。在金属Fe中,无论对于置换氦掺杂还是间隙氦掺杂的情况,初级碰撞原子能量增加均导致残留缺陷数目增加。在置换氦掺杂情况下,低温度缺陷的数目随着置换He原子浓度的增加而缓慢减少,高温下缺陷的数目随置换He原子浓度的增加而增加。在间隙氦原子掺杂的情况下缺陷数目随着氦原子浓度的增加而增加,其增加趋势不受温度影响,但高温下级联缺陷数目随间隙氦浓度增加而增加的速率远比低温度下级联缺陷的增加速率高。在金属V中,置换氦原子浓度的增加导致缺陷数目增加,PKA能量和环境温度的增加均加剧缺陷数目随置换氦浓度增加而增加的速率。间隙氦原子的浓度对级联缺陷的数目影响极小,PKA能量增加所致缺陷数目呈直线增加的趋势与置换氦掺杂情况下的趋势一致。低温辐照级联缺陷数目随PKA能量增加而增加的速率高于高温下的相应速率,与置换氦原子掺杂V和间隙氦掺杂Fe的情况完全相反。此外,金属V中缺陷数目呈线性增加的趋势与金属Fe中非线性增加趋势差别明显。关于级联缺陷的分布研究表明,无论对于Fe还是在V,在掺杂氦和间隙氦掺杂的情况下,级联缺陷均呈壳层分布。空位分布于级联中心,自间隙原子靠外分布,氦原子在级联中心集中分布。关于级联缺陷的团聚问题,在置换氦掺杂的Fe中,缺陷团簇的数目随着PKA能量的增加而增加,该趋势由空位团簇数目随尺寸的分布趋势决定。在间隙氦原子掺杂Fe的情况下,位移级联过程中参与团聚的氦原子数目随着PKA能量和氦原子浓度的增加而增加。大部分参与团聚的氦原子均形成Hen团簇,氦-空位复合体的数目随着初级碰撞原子能量以及杂质氦原子浓度的增加而增加。PKA能量越高体系所出现的各尺寸氦-空位团簇的数目则越多,空位团簇的数目随着氦原子浓度的增加而明显降低。在金属V中,两类氦原子掺杂情况下PKA能量的增加均导致缺陷团簇数目增加。辐照温度对不同类型掺杂氦的情况下缺陷团簇数目的影响完全相反,在置换氦掺杂情况下温度上升导致缺陷团簇数目上升,该趋势受空位型缺陷团簇主导。而在间隙掺杂情况下,温度上升导致缺陷团簇数目下降,该趋势主要由氦团簇数目变化规律主导。置换氦浓度上升对于不同尺寸团簇数目的影响不一致,间隙氦浓度上升导致缺陷团簇数目上升。
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活化铁,V合金,马氏体钢,研究思路

图 1.2 本文研究思路大纲概要，本文以低活化铁素体/马氏体钢和V合金为背景，针对其V展开全面系统的原子模拟研究。首先，本文在现有Fe-He础上采用分子动力学全面系统地研究了金属Fe中氦原子浓温度以及初级碰撞原子能量对位移级联的影响，所考虑的变结构材料氦原子累积极限之内，全面分析了辐照条件变离位过程、缺陷团簇数目的影响。在分析辐照缺陷团簇的无辐照情况下的缺陷团簇特征，探讨分析了位移级联过程其主要捕获机制。其次，针对V-4Ti-4Cr合金主要成分——计算研究了氦原子在金属V中基本占位、迁移扩散和结合算结果，我们在s-band模型的理论框架内构建了准确的V-并采用上述势函数研究了金属V中氦原子捕获行为，对比原子捕获行为所存在的差异。最后，，本文针对V合金在服役

相空间,镜像,化学反应,初态

2.2 相空间化学反应初末态以及相关镜像中，首先须确定反应初态和末态，和末态之间产生一系列镜像点(ima构成不连续路径[90]。该处理方法所N]。其中，端点 R0 和 RN 为固定值1 个中间态可通过优化算法进行调整所示：1211 1( ) ( )2Ni i iikE R R R R1, R2,..., RN位置实现。给出了系统的初态和末态。在初、后通过 NEB 方法进行位置优化，从鞍点与初末态的能量差值便为欲求
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TL627

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