钛中氦泡融合的分子动力学模拟

本文采用分子动力学方法模拟了金属钛中氦泡的融合,分析了氦泡融合对金属微结构的影响,对比了氦泡在金属块体内部与接近金属表面处融合的异同。研究表明:在金属块体内部,两氦泡的融合会在其周围诱发很多缺陷且范围逐渐扩大;直径均为1.77nm的两氦泡的融合会在二者周围形成位错环,位错环内金属原子的排列与基底的一致;两氦泡发生融合后由哑铃状向椭球形演化。在接近金属表面处,由氦泡融合诱发的缺陷易于向金属表面移动,氦泡周围的金属易于向晶体结构恢复;两氦泡发生融合后由哑铃状向半球形演化。     

600℃下氦离子辐照316L不锈钢氦泡形成的研究

在聚变堆与快堆中，高能中子通过（ｎα）反应在结构材料中产生大量的氦。氦聚集形成氦泡，引起材料各种性能的下降；特别是高温下氦流到晶界形成氦泡，使材料发生脆性断裂。对材料中氦泡的形核及长大规律的研究是研究材料中氦脆的基本机制及堆辐照环境中材料微观结构变化...     

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。     

金属中氦泡对背散射分析能谱的影响

分别从理论和实验上研究了钛镆中氦泡演化对离子束背散射能谱(RBS)的影响。理论分析表明能谱的展宽除了受材料的能量阻止和多重散射效果及实验系统特性的影响外,氦泡也是一个重要的影响因素。理论上,当由离子束分析给出氦泡占材料的体积分数及氦泡引起的能散时,可计算出氦泡的尺寸和密度。实验结果显示了含氦钛镆RBS谱后沿随着氦浓度和退火温度的升高逐渐展宽,表明随着氦泡尺寸和浓度的变大,离子束分析能谱也不断展宽。这使在考虑了材料中氦泡的影响后,离子束分析能真实地反映材料的性质,同时也可从离子束分析得出材料中氦泡的演化信息。     

高温下He^＋辐照316L不锈钢时氦泡的形态及氦的俘获

用ＴＥＭ观察６００℃下氦离子辐照３１６Ｌ不锈钢中氦泡的形态及分布，发现氦浓度比较低时，氦泡优先在位错线上形成；随着氦浓度的增大，氦泡在基体中均匀分。在晶粒内及晶界处，拟泡都呈多面体形状，观察的晶界片不存在氦不民的优先生长现象。     

充氚不锈钢中氦泡长大行为的加热效应

以室温贮存经历的充氚不锈钢试样为研究对象,计算了充氚不锈钢中氚、氦浓度的深度分布,利用透射电镜观察了充氚不锈钢在加热过程中氦泡的演化行为。结果表明:在氚压0.131MPa、780℃充氚8h后,不锈钢中氚在深度方向分布均匀,平均浓度为110μL/L;在空气室温环境下放置6a后,不锈钢中氚衰变的氦浓度在深度方向分布均匀,平均浓度为60μL/L;对充氚不锈钢加热处理后,在550℃/1h时效即可观察到氦泡;在950℃/1h和1050℃/1h时效时,氦泡明显长大,大的可达100nm,小的可达30nm,在晶界、晶内和位错处均可见氦泡。     

金属氚化物中氦泡生长显微机制研究现状与发展趋势

氚是核聚变反应的关键核燃料,金属氚化物是国防领域及核聚变能源领域中的重要功能材料。氚衰变产生的氦原子及其演化过程严重影响金属氚化物的宏观性能,氦泡的形成与驻留又会影响金属氚化物的贮氚性能,金属氚化物中氦泡生长机制的研究是备受关注的重要科学问题。受限于氚的放射性和缺乏对氚与氦等轻元素原子的显微分析技术,氦泡生长模型的研究长期处于唯象理论阶段。近年来,随着电子显微分析技术的进步,提出了更加准确分析氦泡信息的新技术,氦泡生长显微机制研究取得了新的突破。本文将首先简要介绍金属氚化物中氦泡生长机制的主要理论与成果,然后介绍电子显微分析技术的发展及研究成果,最后针对氦泡生长显微机制的研究趋势做出展望。     

Pu-Ga合金中氦泡聚集行为的分子动力学模拟

在钚(Pu)材料中加入少量其他金属元素,如铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)、铈(Ce)等,能实现Pu合金材料在室温条件下稳定。本文采用分子动力学(MD)方法及修正的嵌入原子势(MEAM),在300K下对Pu-Ga合金中的氦泡聚集行为进行了模拟,合金中Ga的含量(原子分数)分别为0%、2%和5%。通过计算和分析,得到不同Ga含量下,随氦原子数目增长Pu-Ga合金中氦泡半径和压强的变化趋势,以及由氦泡引起的体积膨胀,研究结果对于理解钚自辐照过程中的氦效应的内在机制具有一定的参考价值。     

Ti及Ti合金中氦泡形貌的透射电镜研究

利用磁控溅射方法在Ti、TiZr和TiMo合金膜中引入氦并进行热处理后,用透射电镜观察膜材中的氦泡。所观察到的氦泡可为多面体形或球体形,或多数为球形化的多面体形。在800℃热处理后的Ti和TiZr合金中均观察到规则的六边形和八边形氦泡,对应基体材料单晶平衡外形多面体的投影。720℃热处理40min后,TiZr合金膜中的氦泡比同样温度热处理130min后的接近球形。在600~650℃热处理30~60min后,合金中的氦泡比纯Ti中的氦泡更接近球形,生长受到的阻碍更大。除热处理温度、时间和合金成分外,晶界和其他氦泡也会影响氦泡形貌。在三叉晶界处的氦泡比晶界处的氦泡圆滑。氦泡在与其他氦泡邻近的部分会变得圆滑,促使自身向对方运动,促进氦泡的合并、长大。     

氚化钛膜中氦的热解吸行为初步研究

对He、Ti原子比n(He)/n(Ti)为0.004～0.300的7块氚化钛膜样品在1300K以下进行热解吸分析,以获得它们的热解吸谱。在低于1300K范围内,氚化钛膜共有4种氦的热释放峰,分别对应于贯穿至表面的氦泡、近表面的氦、体相中的氦泡和氦的小团簇。对这4种类型的氦释放峰的解吸温度和解吸量随膜中总氦量的变化分别进行分析,研究观测膜中各种状态存在的氦量随n(He)/n(Ti)增加的变化趋势。实验观测到,升温将导致氚化钛膜可容纳的氦量大幅降低。     

流动沸腾汽泡脱离直径尺寸分布研究

沸腾是一个复杂的换热过程,大量实验表明,不同核化点的脱离直径存在区别,即使在同一工况下,同一核化点产生的汽泡脱离直径也会大小不一,因此汽泡尺寸分布不可忽略。尽管目前已有较多用于汽泡平均尺寸的计算关系式,但对于尺寸分布的研究仍较少。因此,本文针对流动沸腾下汽泡脱离直径的尺寸分布进行研究,对比常用的伽马函数和正态分布函数描述这一分布时的准确度,确定概率函数后,再对概率密度函数中两个重要的参数均值和标准差进行分析,最后得到一套预测不同工况下汽泡尺寸分布的关系式,该关系式准确度较高,并考虑了壁面过热度、质量流速等因素的影响。     

水平分布两气泡之间相互作用及摇摆对其影响的数值模拟

采用VOF方法及耦合表面张力模型的动量方程,结合UDF功能,模拟了竖直通道内静水中水平分布两气泡之间的相互作用以及摇摆对其运动特性的影响,详细分析了两气泡上升过程中出现的吸引及排斥现象。模拟所得两气泡上升时的形态变化过程与实验结果符合良好。结果表明,水平分布两气泡在水中会呈上下摇摆状上升,且位置关系变化具有周期性,摇摆会使气泡在上升过程变得更加扁平,两气泡所能达到的最小距离变小,但摇摆会破坏两气泡在上升过程其位置关系所具有的周期性。     

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。     

文丘里式气泡发生器渐扩段内单气泡输运过程研究

文丘里式气泡发生器渐扩段的流场结构、流动参数等对气泡制备性能起关键作用,因此,对具有矩形截面的文丘里通道渐扩段区域单气泡输运过程进行了可视化研究。分析发现,渐扩段气泡剧烈减速及变形过程对气泡最终的断裂和破碎起关键作用。气泡的减速过程虽只持续数ms时间,依然呈现加速减速和降速减缓两个明显阶段;气泡旋转过程呈现相似的变化规律。在液体流量2.4～6.9 m³/h范围内,对应最大旋转速度可达900～3 000 rad/s。气泡旋转过程持续时间较减速过程稍长,气泡最大旋转速度的位置出现在最大减速加速度位置的下游约2 mm处;液体流量和气泡尺寸对气泡旋转和变形过程有明显影响,液体流量越大或气泡尺寸越小,气泡旋转过程越剧烈,且旋转速度在更短距离内达到最大值;增大液体流量在一定范围内加剧了气泡的拉伸变形。这些可视化研究结果,为进一步揭示文丘里气泡发生装置内气泡的碎化机制、完善数值分析模型、优化设计等提供参考和帮助。     

10MW高温气冷堆90°弯头内氦气流动特性分析

为了在10MW高温气冷堆中引入弯头传感器,通过实验和数值模拟的方法对90°弯头内流体的流动特性进行了研究,以实验获得的弯头内弧面和外弧面上的压力分布数据来对CFD模型计算的可信性进行评估,并应用验证后的CFD模型对高温气冷堆蒸汽发生器内90°弯头处氦气的流动特性进行数值模拟。通过对比实验数据和CFD模拟结果发现,实验结果与数值模拟结果基本趋于一致,90°弯头内、外弧面的压力呈现明显的不均匀分布现象,在弯曲角度α=30°~50°之间,内、外弧面的压力差达到最大值并持续保持一段位置,k-ω模型能用于预测10 MW高温气冷堆蒸汽发生器内90°弯头处氦气的流动特性。