钨中空位及其团簇的 能量学和动力学性质参数

在总结前人钨中空位及其团簇的能量学和动力学行为的研究成果基础上,采用第一性原理方法系统计算了钨中空位及其团簇的结合能和扩散能垒.研究发现,交换关联泛函PW91和PBE较PBEsol、AM05和LDA更适合用于计算钨空位的能量学性质.基于第一性原理计算结果对文献中单空位形成能、双空位作用性质等争议性问题进行了讨论,并对钨...     

非均匀形核对辐照诱导钨内微结构演化行为影响的团簇动力学模拟

金属钨(W)及其合金作为未来聚变堆最具应用前景的面向等离子体结构材料(PFMs),其服役性能直接影响聚变堆长期服役的安全性,辐照诱导W及其合金内微结构演化导致的辐照脆化现象始终是限制其工程应用的关键因素。本文基于分子动力学计算结果,进一步完善了辐照诱导材料微结构演化行为的团簇动力学模型,采用更加完备的物理模型描述材料内辐照缺陷的产生行为,并进一步探讨了W基体内辐照缺陷产生过程对微结构演化行为的影响。模拟结果表明,高能初始离位原子(PKA)诱发级联碰撞直接产生的缺陷团簇是W内位错环、空洞演化中最重要的形核机制;非均匀形核所产生的间隙团簇的扩散行为对位错环的长大行为有重要影响,会导致位错环尺寸分布中出现亚尖峰与台阶状形貌。     

含单空位纯α-Zr晶体的结构、电子和能量性质的第一性原理研究

采用第一性原理方法,使用Win2k软件对含不同单空位浓度纯α-Zr体系的结构、电子和能量性质开展了研究,获得了含不同单空位浓度的纯α-Zr晶格常数的变化,并计算了其电子密度、态密度和能带结构。结果表明,随着单空位浓度的升高,纯α-Zr的晶格常数减小;当空位作为纯α-Zr晶格中Zr原子的第一近邻原子时,其电子密度在相邻Zr原子的方向上延伸,而不含空位的Zr原子的电子密度呈对称分布;随着体系空位浓度的降低,总态密度主峰升高,能带结构和费米面变得更加复杂。     

钨/铜界面处氢原子与空位相互作用的第一性原理计算

钨/铜界面是聚变堆偏滤器的重要连接界面,在高热流密度和强中子辐照下会成为氢同位素渗透滞留的高速通道和捕获陷阱。本文利用第一性原理方法研究了钨/铜界面处氢原子与点缺陷的相互作用,考察了氢原子的滞留行为和空位在界面处的形成行为,分析了氢原子的优先占据位置及氢原子与空位的作用机理。结果表明：在钨/铜界面中,氢原子稳定存在于钨/铜界面中间及铜晶格中;对于空位,界面附近的铜空位不稳定,会自发移动到钨/铜界面的顶端表面,而钨空位相对稳定存在;相比于铜空位,钨空位吸引氢原子的能力更强。氢原子的存在会抑制铜空位的迁移现象,从而可能形成氢泡。     

钨/铜界面处氢原子与空位相互作用的第一性原理计算

钨/铜界面是聚变堆偏滤器的重要连接界面,在高热流密度和强中子辐照下会成为氢同位素渗透滞留的高速通道和捕获陷阱.本文利用第一性原理方法研究了钨/铜界面处氢原子与点缺陷的相互作用,考察了氢原子的滞留行为和空位在界面处的形成行为,分析了氢原子的优先占据位置及氢原子与空位的作用机理.结果表明:在钨/铜界面中,氢原子稳定存在于钨...     

核材料中子辐照损伤的团簇动力学模拟综述

核材料中子辐照损伤是影响核能装置安全性和稳定性的关键问题之一.由于难以开展大量的中子辐照实验来评估核材料的损伤机理,因此相关理论模拟至关重要.介观尺度团簇动力学(CD)模型由于不受时间和空间尺度的限制,是一种研究材料中子辐照损伤长时间演化的有效方法.本文综述了CD的模型、数值算法和最新进展,重点介绍了CD在典型核材料的...     

核材料中子辐照损伤的团簇动力学模拟综述

核材料中子辐照损伤是影响核能装置安全性和稳定性的关键问题之一。由于难以开展大量的中子辐照实验来评估核材料的损伤机理,因此相关理论模拟至关重要。介观尺度团簇动力学（CD）模型由于不受时间和空间尺度的限制,是一种研究材料中子辐照损伤长时间演化的有效方法。本文综述了CD的模型、数值算法和最新进展,重点介绍了CD在典型核材料的中子辐照问题中的系列应用,并对CD的未来发展进行了展望。     

荷能团簇束成膜的表面迁移和附着特性的研究

研究了不同能量的团簇碰撞有机物（CH3SiO3/2)衬底形成的表面形貌。结果表明,团簇能量的增大、增加了团簇原子在基片表面的有效碰撞能和迁移力,也改善了沉积薄膜的附着性、致密性、平整性等。特别是有机物上修饰条纹的出现,是迁移力增加的有力证据。     

荷能团簇碰撞沉积装置中飞行时间质谱仪的物理设计

介绍了荷能团簇飞行时间质谱仪的原理及其在荷能团簇碰撞沉积装置中的物理设计。对实验中出现的若干问题进行了探讨,并提出了解决的措施。     

电子辐照高纯铁电阻率回复的团簇动力学模拟

电阻率回复实验是研究材料辐照损伤机理的有效手段,可表征材料中辐照缺陷数量的变化。本文基于平均场速率理论开发了模拟辐照缺陷演化的团簇动力学程序,模拟了高纯铁经3MeV电子辐照至2.0×10-6 dpa后等时时效过程的缺陷演化过程,并与电阻率回复实验结果进行了对比。模拟结果表明,辐照缺陷数量随温度升高的演化过程与电阻率的变化趋势吻合得很好,电阻率回复的峰值分别对应于间隙原子、间隙原子团簇、空位团簇等缺陷的数量变化。该方法对于研究材料辐照损伤机理具有重要意义。     

Molecular Dynamics Study on the Diffusion Properties of Hydrogen Atoms in Bulk Tungsten

Molecular dynamics simulations were performed to study the diffusion behavior of hydrogen atoms in body-centered cubic(bcc) tungsten(W). The energy distribution of a single hydrogen atom in the (001) plane of tungsten lattice was computed. The values of diffusion barriers agree well with other theoretical and experimental results. The interaction between an H atom and a vacancy was simulated, which shows evidence of strong binding effect. The temperature effect on the diffusion behavior of hydrogen atoms was investigated. The critical temperature for an H atom to diffuse in bulk W with and without vacancies were calculated to be 950 K and 450 K, respectively, which is supported by several experimental results. In addition, the diffusion coefficient of hydrogen atoms in tungsten was evaluated and analyzed.     

氢氦在钨中的影响的第一性原理研究

采用PBE形式的广义梯度近似(GGA)的第一性原理计算方法研究了氢或氦在钨中产生点缺陷的形成能以及缺陷形成后对钨的弹性的影响;采用同样的方法研究了空位和自间隙原子这两种缺陷。经计算发现:氢氦掺杂在钨的晶体结构中会引起晶体体积的变化,其变化结果跟掺杂的位置有关,在四面体或八面体处的掺杂会使晶体体积增加,替位掺杂会引起晶体体积减小;从形成能来看,氢掺杂在钨中最占优的位置是四面体处,而氦最占优的则是替位掺杂。在几种缺陷中,形成能最小的是氢的四面体掺杂,形成能最大的则是钨的自间隙原子形成;钨中若含有氢或氦的点缺陷,晶体的体弹模量和剪切模量会发生改变,当钨中含有氢替位或自间隙原子时晶体会向塑性改变,含有其他点缺陷时晶体会沿着脆性方向转变。但总体来说带有缺陷的钨仍然具有延展性。值得注意的是,氢或氦在钨中会引起晶体的各向异性,其具体结果与缺陷所处位置相关,只有缺陷属于替位时才不会发生各向异性。本文的研究工作可为第一壁材料的开发提供理论参考。     

钨中氦泡融合条件的分子动力学模拟研究

在托卡马克聚变装置中,钨偏滤器会受到低能高束流的氦等离子体冲刷,导致材料表面形成绒毛状纳米结构或针孔状表面损伤,使钨材料使用性能发生退化,影响等离子体的稳态运行。目前普遍认为,氦致表面损伤的形成与钨表面下氦泡的生长密切相关。钨受到氦等离子体辐照后会在材料的近表层形成高密度的小氦泡,它们可通过融合的方式长大,氦泡的融合是近表层大氦泡形成的关键环节。为了解氦泡的相对位置、温度、氦空位比(He/V)、氦泡初始间距对氦泡融合的影响,本文采用分子动力学方法模拟氦泡在金属钨中的融合过程。结果表明：氦泡的相对位置、温度、He/V、氦泡初始间距都会影响氦泡的融合,但影响的机理并不相同。其中,氦泡的相对位置是影响氦泡融合的关键因素,当氦泡沿〈100〉方向排列时,氦泡易发生融合,而沿 〈111〉方向排列则不易发生融合,其原因是氦泡附近存在各向异性的应力场。温度升高有利于氦泡体积得到更快、更充分的弛豫,进而促进氦泡发生融合。高He/V的氦泡具有较高的压力,更易发生融合。当温度为1 500 K时,2个He/V为3、半径为1 nm的氦泡之间的相互作用距离可达1.28 nm甚至更远,但它们发生融合的最大初始距离为0.96 nm。本研究可促进对钨中氦泡融合机理的理解,为钨中大氦泡的形成提供可能的解释。此外,本研究结果可为大尺度模拟（如动力学蒙特卡罗、团簇动力学）提供相关输入参数用于研究高密度氦泡的长时间演化。     

钨中自间隙原子团簇扩散行为的分子动力学模拟

钨被视为未来聚变堆中最有可能全面使用的面对等离子体材料。而在未来聚变堆真实环境下,氘氚聚变反应产生的14 MeV高能中子辐照将在材料中产生严重的原子离位损伤和各种缺陷积累。其中自间隙原子（SIA）及其团簇是中子辐照损伤中最常见的缺陷种类。本文采用分子动力学模拟系统研究钨中1/2〈111〉和〈100〉 SIA团簇的稳定结构和形成能,发现SIA团簇最稳定结构是1/2〈111〉 SIA团簇结构,SIA团簇聚集后会稳定存在。并研究了不同尺寸1/2〈111〉 SIA团簇的动力学扩散行为,发现单个SIA在温度高于700 K时易扩散和转向,而两个以上的SIA团簇在300~900 K时主要表现为一维方向的运动。为准确描述各种尺寸SIA团簇的动力学行为,给出了一套计算SIA团簇跃迁频率的经验参数。相关结果将为更大尺度的动力学蒙特卡罗和团簇动力学模拟提供准确和完备的输入参数,为正确掌握和评价钨中子辐照行为提供依据。     

金属铁和镍中氦缺陷性质的理论研究

采用投影缀加波赝势和广义梯度近似方法分别计算了体心立方结构金属铁和面心立方结构镍中3种氦缺陷形成能及态密度分布。计算结果表明,以上两种金属的置换氦缺陷最稳定,其次是四面体间隙氦缺陷,八面体间隙氦缺陷最不稳定。分析表明,金属铁和镍中氦缺陷稳定性并不是由缺陷的弹性畸变决定的,而是由缺陷氦原子与其最邻近金属原子之间的电子相互作用决定的。     

Microstructure and Mechanical Properties of Nano-Size Zirconium Carbide Dispersion Strengthened Tungsten Alloys Fabricated by Spark Plasma Sintering Method

W-(0.2,0.5,1.0)wt%ZrC alloys with a relative density above 97.5%were fabricated through the spark plasma sintering(SPS) method.The grain size of W-1.0wt%ZrC is about2.7 μm,smaller than that of pure W and W-(0.2,0.5)wt%ZrC.The results indicated that the W-ZrC alloys exhibit higher hardness at room temperature,higher tensile strength at high temperature,and a lower ductile to brittle transition temperature(DBTT) than pure W.The tensile strength and total elongation of W-0.5wt%ZrC alloy at 700 ℃ is 535 MPa and 24.8%,which are respectively 59%and 114%higher than those of pure W(337 MPa,11.6%).The DBTT of W-(0.2,0.5,1.0)wt%ZrC materials is in the range of 500 ℃-600 ℃,which is about 100 ℃ lower than that of pure W.Based on microstructure analysis,the improved mechanical properties of the W-ZrC alloys were suggested to originate from the enhanced grain boundary cohesion by ZrC capturing the impurity oxygen in tungsten and nano-size ZrC dispersion strengthening.     

Effect of Solute Titanium on Void Swelling in 316 Stainless Steel

To investigate the solute Ti effect on void swelling in stainless steels, the well-annealed 316 stainless steels modified with various amounts of Ti were electron-irradiated in a high voltage electron microscope (HVEM). It was found that the swelling decreased dramatically with increasing Ti content up to 0.25w/0. This strong dependence of swelling on Ti content arises mainly from the changes in void number density, although the void growth rate also decreases with increase in Ti content. The dependence of the void number density on Ti content is interpreted in terms of the vacancy trapping effect of Ti, which decreases the steady state free vacancy concentration and results in the effective suppression of the void nucleation rate.     

体心立方钨和铁中氦泡生长机制模拟研究进展

体心立方金属钨和铁作为核聚变反应堆的第一壁面向等离子体材料和第一壁结构材料处于高剂量的中子辐照环境中。辐照过程产生的氦原子易在金属内聚集形成氦泡,对材料微观结构和宏观力学性能产生极大影响。本文通过综合分析文献中关于通过第一性原理、分子动力学和蒙特卡罗方法对氦泡形核和生长机制,比较了不同模拟条件下氦泡的演化机制。分析表明,晶界、位错、空位等内部缺陷和温度等外部条件都对氦泡的形核及其生长机制有影响。在此基础上提出了下一步研究方向和思路。     

团簇尺度的瑞利散射测量中光电倍增管信号刻度与归一化处理

利用光电倍增管测量团簇的瑞利散射,信号幅度与团簇源背压有关,也与光源强度和光电倍增管工作电压有关.当团簇源背压变化范围较大时,散射信号幅度变化可能导致光电倍增管信号超出线性范围.为此,在不同的光源强度、不同的工作电压下对光电倍增管输出信号进行了刻度,得到了输出信号幅度随光源强度、工作电压之间的关系.用此关系.对不同条件下的实验数据进行归一化处理,得到了团簇散射因子随团簇源背压的关系曲线,与同类实验和理论结果相符.