團簇動力學模型揭秘鎢材料在輻射下的微結構演變

近期，上海大學力學與工程科學學院固體力學研究所研究者成功構建了一種簡化的團簇動力學模型，該模型為探索裂變與聚變環境下鎢材料的微結構演變提供了有力的分析手段。

面對全球能源需求的持續攀升及環境挑戰的日益嚴峻，核聚變能源以其清潔性、高效性和可持續性，被視為未來能源領域的一顆璀璨新星。聚變反應堆運行時的高溫環境對材料提出了極高要求，而鎢基材料憑藉其卓越的熔點、出色的熱性能、低氫溶解度及濺射產率，成為了面向等離子體組件（PFC），尤其是第一壁和偏濾器的理想選擇。

在聚變反應堆，如托卡馬克裝置中，面向等離子體的材料需承受D-T聚變反應釋放的高能中子、氫同位素（H、D、T）及氦（He）離子的強烈轟擊，這會導致材料表面及內部遭受嚴重損傷。特別是，氦原子易與材料中的空位結合，形成氦氣泡，進而加劇空位的滯留，引發表面粗糙化，並對材料的力學性能（如硬化、脆化）產生負面影響。此外，氦注入形成的氦氣泡密度遠高於普通空隙，加速了材料的退化過程。因此，深入探究面向等離子體材料的輻射誘導缺陷形成與演化機制至關重要。

為了更好地理解輻照條件下鎢材料的微觀結構變化，研究團隊開發了團簇動力學模型。該模型綜合考慮了點缺陷、小型缺陷團簇、氦團簇的生成與相互作用，以及大尺寸不可移動缺陷（如間隙位錯環、空洞、氦氣泡）的成核與生長過程。通過引入原子尺度的位錯環穿刺機制，模型能夠精確類比有無氦注入條件下輻射誘導缺陷的演化動態。

研究結果顯示：1）在低溫條件（低於300K）下，空隙和氣泡無法形成；而在高溫環境（高於1000K）且劑量超過3dpa時，間隙環趨於消失，這與實驗觀察結果相吻合。2）隨著溫度升高，間隙環的密度增加、尺寸減小，而空隙/氣泡則呈現相反趨勢。氦注入會促進空位型團簇的成核與生長，因為氦原子更傾向於與空位結合。3）考慮環衝壓效應可略微加速氣泡生長，並對氣泡內部壓力及氦空位比產生顯著影響。4）為匹配模擬與實驗測量之間的壓力和氦空位比，需考慮環路衝壓的內部壓力回饋機制，以有效調控氣泡的生長動力學。

該研究成果已以“A reduced cluster dynamics modeling of radiation damage in tungsten”為題發表在《Nuclear Materials and Energy》上。

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