中子辐照下钨材料微结构演化的动力学蒙特卡洛模拟

发布时间：2021-11-27 08:43

　　钨由于其具有高熔点、高溅射阈值、良好的导热导电性能、低氚滞留、低热膨胀系数等优点被认为是聚变反应堆第一壁的最佳候选材料。在服役过程中钨不仅会受到高能中子轰击还会受到高通量低能氦等离子体的辐照。高能中子会使钨中生成大量的空位和间隙原子。氦会在钨中聚集形成高密度过压氦泡,对材料的力热性能造成影响。并且氦的存在会影响空位和间隙原子的热力学和动力学性质,从而影响缺陷的演化。PKA能量、氦浓度、温度等因素都会对缺陷演化产生影响。缺陷演化后产生的微结构会导致材料性能退化,对等离子体的稳态运行造成威胁。目前,氦与中子辐照协同作用对辐照损伤演化的影响还不清楚。本文运用动力学蒙特卡洛（KMC）方法模拟了纯钨和含有氦杂质的钨材料中辐照损伤的累计过程,比较了钨中加氦与不加氦的情况下缺陷演化的不同,研究了不同条件如温度、氦浓度、PKA能量对这个过程的影响,得出以下结论:（1）纯钨中间隙原子和空位相比迁移速度非常快,而空位只有在高温下才有明显的移动,所以最后模拟盒子中只剩下了空位和空位团簇。并且间隙原子更容易形成团簇,而单空位与单空位相互排斥不易成簇。（2）纯钨中PKA能量越大,则产生的Frenkel对越多,因... 

【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

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【学位级别】：硕士

【部分图文】：

托卡马克装置示意图

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文的辐照损伤子的影响子获得的能量E小于某个特定数值时，由于附近的原子与其存在相互作能量不足以让它离开初始晶格位置，最后这些能量被原子的无规则热子仍然被束缚在原地。若获得的能量 E 足够其挣脱周围原子的束缚作过了某个阈值，这个原子就能离开完美晶格格点运动到晶格间隙处，再被原子所占有并形成一个空位。

最终在钨材料内部形成大量的空位和间隙原子等缺陷。这些缺陷会积累形成位错环和孔洞（图1-3），导致钨的力学性能和物理性能下降。图 1-3 纯钨在（a）0.17dpa 400℃ (b)0.96dpa 538℃ (c)0.4dpa 740℃(d)1.54dpa 750℃辐照环境下的显微结构[33]1.2.2. 氦的影响钨作为面向等离子体材料在聚变堆中服役时不单单会受到由中子轰击引起的离位损伤，同时还会受到高通量氦等离子体的影响。近年来研究发现，即使氦离子能量低于溅射阈值，氦等离子体辐照仍然会在钨材料表面造成起泡[34]、绒毛结构、孔洞等损伤[35-37]。


本文编号：3521932