钨辐照损伤及晶界交互作用分子动力学研究

发布时间：2020-06-14 13:53

【摘要】：由于聚变能相比于化石能源的诸多优势,人们正大力发展核聚变能源,若可以成功地将其大规模利用,则可能从根本上解决能源问题。与此同时,对聚变反应堆第一壁关键材料的研究也成为研究热点。核聚变反应堆产生的高能中子会对第一壁材料进行辐照,辐照诱发点缺陷经过长时间的积累和演化,使材料微观结构发生改变,最终导致宏观性能的恶化,使材料失效。钨(W)作为核聚变反应堆最有前景的面向等离子体材料而备受关注,因此,W辐照损伤过程的深入研究对于更清楚的认识和理解W在中子辐照下的行为以及对核反应堆材料的设计和改进都具有重要意义。本文运用针对辐照损伤特点改进的分子动力学方法,探究bcc-W在中子辐照初期,辐照诱发缺陷形成和演化的微观过程的原子机制。研究体系有两类：单晶W体系(SC-W)和含有晶界的W体系(GB-W)。对于SC-W,本文研究位移级联产生的缺陷数量及分布,PKA入射方向和辐照温度对稳定Frenkel缺陷的影响,缺陷团簇分数、团簇数量和大小以及W的离位阈能受辐照温度和PKA入射方向的影响；对于GB-W,定量分析晶界分别对辐照诱发间隙原子和空位的不同作用效果,以及通过对∑13[001](230)晶界和∑17[001](140)晶界的对比探究晶界角度的不同对缺陷吸收能力的影响。SC-W的结果表明若级联诱发的缺陷在峰值阶段呈近球形密集分布,则稳定阶段Frenkel缺陷相对较少,若缺陷呈非球形相对分散分布,则稳定阶段Frenkel缺陷相对较多；稳定Frenkel缺陷受PKA方向的影响不大,且随辐照温度升高有下降趋势；比较而言,间隙原子团簇分数比空位团簇分数高,而空位团簇倾向于形成较大的团簇；W的平均离位阈能受温度影响较小,并具有一定的各向异性。GB-W研究得出W中晶界在级联碰撞的皮秒尺度内对于辐照诱发间隙原子和空位呈现双重作用：一方面晶界吸收间隙原子,另一方面晶界导致体系中残留更多空位。整体看来,晶界使整个体系中的缺陷总数高于相同条件下的单晶体系。研究结果还显示∑17[001](140)晶界比∑13[001](230)晶界显示出对间隙原子更好的吸收作用,这可能归功于晶界中原子更混乱的排列程度、更大的晶界比率和更高的晶界能量。本文为理解和分析核聚变堆中服役的W材料的行为提供基础数据,同时为W合金的辐照损伤研究提供基础。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TL627
【图文】：

欧盟,可控核聚变,核聚变反应,年代

核聚变反应的研究始于７０多年前，初始１０年是几个核大国的秘密研究，之后变为逡逑国际合作模式。目前，对可控核聚变反应堆的研究主要集中在托卡马克（Ｔｏｋａｍａｋ）装置逡逑上，见图１．２。对Ｔｏｋａｍａｋ装置的研究历经了几个阶段，从１９６５年苏联科学家的首次报逡逑告，８０年代大批量的建立（欧盟的ＪＥＴ、曰本的ＪＴ－６０Ｕ、美国的ＴＦＴＲ和前苏联的Ｔ－ＩＳ），逡逑到９０年代取得突破性进展（美国、日本、欧盟均成功实现氖l#反应，放出聚变能），逡逑验证了磁约束热核反应堆Ｔｏｋａｍａｋ的科学可行性。２００６年，中国耗时８年、耗资１亿逡逑元人民币自主设计、自主建造而成的新一代热核聚变装置（ＥＡＳＴ）首次成功完成放电实验，逡逑＿２－逡逑

装置图,装置图,高通量

度上改变目前世界能源格局，使人类今后拥有取之不尽，用之不竭的能源。逡逑１．２核聚变堆材料逡逑在磁约束热核反应装置Ｔｏｋａｍａｋ中（图１．２），通过将装置中央环形真空室中的等离逡逑子体加热到很高温度，从而实现核聚变反应。由图１．１可知，在发生核聚变反应时，Ｈ逡逑的同位素氖和l#碰撞后产生聚合作用，释放出大量的核聚变能，与此同时，也会相伴产逡逑生许多Ｈｅ和高通量的福照中子（ＩＴＥＲ中，中子通量可达３Ｘ１０ｉ２ｍ２／ｓ），这些福照粒子逡逑将会对Ｔｏｋａｍａｋ装置中不同部位的材料进行辐照，除了高通量的福照粒子对聚变堆材料逡逑的福照损伤之外，材料还要承受很高通量的热负载（正常工况下２邋ＭＷ／ｍ２，特殊情况的逡逑顶峰值１０？２０邋ＭＷ／ｍ２）和电磁福射等，但在这些情况之中，中子对核材料的福照损伤逡逑－３－逡逑

【参考文献】