聚变堆结构材料中氦原子等杂质效应的第一性原理研究

发布时间：2020-04-29 09:40

【摘要】：核聚变能因为清洁无污染,反应可控,原料储量丰富等优点被认为是解决人类未来能源危机问题的终极方案。在聚变反应堆的极端环境下,第一壁结构材料需要长期承受高温、以及高通量的高能(14 MeV)中子辐照。特殊的工作环境要求结构材料必须具有优良的热力学性能、低活化特性、抗中子辐照等。中子辐照使得结构材料内产生大量的空位缺陷以及杂质氢、氦原子。空位缺陷与杂质原子相结合,随着时间的推移长大形成氢泡、氦泡,导致结构材料的肿胀和脆化,使得材料的机械性能明显降低。本论文采用基于密度泛函理论和平面波赝势法的第一性原理计算方法,在原子尺度上研究了三种聚变堆候选结构材料(低活化钢、钒合金和碳化硅复合材料)中氦原子等杂质的行为,例如空位对氦原子的捕获机制以及合金元素效应等,希望所获得的理论结果能为理解辐照初期杂质原子的影响提供一些有效的帮助。碳化硅(Sic)复合材料由于具有良好的高温强度、耐腐蚀等特性而被考虑作为聚变堆结构材料的候选材料之一。为了研究6H-SiC晶体中氦-空位团簇(HenVm)的稳定性以及氦泡形成的微观机制,本论文计算了缺陷-缺陷之间的结合能,分别考察了HenVm团簇与杂质氦原子、单空位之间的相互作用。发现HenVm团簇与杂质氦原子和单空位之间均存在吸引作用,与氦原子相比,HenVm团簇与空位的吸引作用更强。同时研究了Hen/Vm率变化时对HenVm团簇与氦原子、空位结合能的影响。为了研究6H-SiC晶体中的空位缺陷对氦原子的捕获能力,分别计算了不同数量的氦原子被7原子小空洞捕获时的捕获能,发现7原子小空洞最多可以捕获13个氦原子。同时,为了考察捕获大量的氦原子后导致结构材料内内压的变化,我们提取了捕获不能数量氦原子时结构材料的内压,发现捕获13个氦原子后,6H-SiC晶体内的内压高达2.5 GPa,与实验值0.8 GPa相当。钒合金具有优良的高温强度、低中子辐照活化、抗辐照肿胀和抗高温蠕变等特性,被认为是未来聚变反应堆第一壁结构材料的主要候选材料之一。目前,大量的研究工作主要关注氦原子与小尺寸空位缺陷之间的相互作用,而在真实的材料中,空位缺陷的直径达纳米量级。为了研究不同尺寸空位缺陷对氦原子的捕获能力,采用原子尺度模拟方法,考察了中子辐照初期,钒固体中单空位和纳米尺寸空洞对氦原子的捕获行为。研究发现：单空位和9原子小空洞(直径约0.6 nm)分别可以捕获18和66个氦原子,相应的内压分别高达7.5和19.3 GPa。说明小空洞对氦原子的捕获能力强于单空位；大量的氦原子被空位缺陷捕获之后引起空位空间膨胀导致很高的内压。为了考察由于晶格钒原子的限制,导致被限制在有限空间内氦原子之间距离的变化,分别比较了空位缺陷内Hen团簇与“气相”Hen团簇中氦原子的结构构型与平均距离分布,径向函数分布与不同环境中He。团簇构型图给出了同样的结论。低活化铁素体/马氏体(RAFM)钢在辐照环境下具有优良的机械性能和抗肿胀特性,被认为是聚变反应堆结构材料的主要候选材料之一。RAFM钢的主要成分为Fe-Cr-W三元合金。大量的实验表明合金元素铬(Cr)和钨(w)对低活化钢的力学性能、抗辐照能力具有重要影响。因此,我们首先研究了体心立方结构铁基合金中,合金元素铬和钨的存在对氦原子稳定占据位以及扩散性能的影响。通过不同数量的铬、钨原子置换间隙氦原子周围的铁原子,发现氦原子的稳定占据位仍为四面体间隙位,不受铬原子浓度变化的影响。为了解释氦原子总是倾向于远离钨原子的原因,分别考察了两种合金元素与氦原子之间的相互作用。同时,为了阐明辐照初期合金元素对氦原子自捕获的影响,分别研究了氦-氦杂质对靠近铬、钨原子时结合能的变化,发现铬有利于氦原子自捕获,而钨原子阻碍氦原子自捕获。为了研究合金元素对空位捕获氦原子的影响,考察了铬、钨存在时空位捕获氦原子时捕获能的变化,发现铬、钨存在均降低了空位对氦原子的捕获能力。以上的工作主要研究了杂质氦原子在三种结构材料中的行为,及其与空位缺陷之间的相互作用,但是,结构材料内一些微量溶质元素对结构材料性能的影响也不容忽略。因此,本论文最后一部分研究内容主要关注钒固体中微量溶质元素氧、氮、碳原子的基本行为。首先研究了三种杂质原子的稳定占据位,均为八面体间隙位。为了研究同种杂质原子之间是否存在偏聚作用,基于以上结论,进一步研究了同种杂质原子对之间的相互作用,杂质对之间的相互作用距离大约为3A。最后,为了研究三种杂质原子扩散能力的强弱,利用搜索过渡态的NEB方法研究了三种杂质原子的迁移能垒,以及扩散系数。根据Arrhenius扩散方程,预测了氧、氮、碳原子在不同温度下的扩散系数。
【图文】：

从1971至

示意图,聚变反应

从安全性能、环境污染及经济等方面考虑，核聚变能成为最受关注的新能源之一。逡逑因为l－l#（Ｄ－Ｔ）聚变反应比其它聚变反应（例如Ｄ－Ｄ聚变反应）要求低，容易实现，，逡逑因此它是受控核聚变首要攻克目标。图１．２给出了邋Ｄ－Ｔ聚变反应示意图。聚变反应表达逡逑式为：逡逑ｆ邋Ｄ邋＋Ｊ邋Ｔ逦Ｈｅ邋＋０邋ｎ邋＋１７．６ＭｅＶ逦（１．１）逡逑其中，＾Ｈｅ为ａ粒子，是氮（Ｈｅ）的一种同位素，ｎ表示中子。聚变反应产生的Ｈｅ原子、逡逑中子都具有很高的能量。聚变能的优点主要有レッ下Ｈ个方面Ｕ，３－ｙ：邋１）原料储量丰富，逡逑一升海水中约含有３０毫克l，通过聚变反应产生的能量相当于燃烧３００升汽油产生的逡逑热能，而地球上海水中l的储量约４５万亿吨，足够人类使用上百亿年，虽然自然界l#逡逑的储量极少，但是用于产生佩的堘储量十分丰富，２）聚变反应产物主要是氮原子高能逡逑－２－逡逑
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TL627

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