合肥研究院納米晶金屬材料鎢和鐵抗輻照性能計算模擬研究獲進展

近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所科研人員與合肥研究院等離子體物理研究所、中國科學院近代物理研究所科研人員合作，在納米晶金屬材料鎢和鐵抗輻照性能計算模擬研究方面取得新進展。相關研究成果發表在聚變領域期刊《核聚變》（Nuclear Fusion）和核材料領域期刊《核材料》（Journal of Nuclear Materials）上。

鎢及其合金中的輻照損傷問題是聚變研究中的重要問題之一。輻照誘導的微觀缺陷不僅會使材料性能降級，還會改變H/He在基體材料中的滯留等行為。近年來的研究表明，納米晶和納米級氧化物彌散增強的材料通常能降低輻照缺陷在基體中的累積，從而表現出較佳的抗輻照損傷性能。然而，其微觀機制尚不清楚。合肥研究院固體所研究人員使用分子動力學和靜態計算方法，考察了晶界在修複納米結構鎢中輻照損傷方面扮演的能量學和動力學角色。研究發現，在輻照過程中，相對於空位而言，間隙原子被晶界優先吸收，從而在級聯碰撞冷卻後形成晶界附近富含空位而晶界內部間隙高度局域的缺陷結構。晶界通過降低其附近空位/間隙的形成能和擴散能壘而作為缺陷阱，特別是間隙在晶界附近不需要克服能壘即可遷入晶界。優先進入晶界內的間隙可與附近的空位以低能壘、多原子協同參與的方式複合（圖1）。同時研究人員發現，晶界增強空位擴散、複合的區域較為有限（1-1.5納米），使得該區域體積分數較小（幾個百分點）。這表明實驗上提高鎢基材料抗輻照性能的兩種途徑——細化鎢晶粒和加入納米小顆粒——後者可能更為有效。相關研究結果發表在《核聚變》（Nuclear Fusion, 2013, 53, 123014）雜志上。

針對候選結構材料——鐵素體/馬氏體鋼的輻照損傷問題，科研人員使用分子動力學、靜態計算和溫度加速的動力學方法，考察了晶界附近小型空位團簇的能量學和動力學行為。研究表明：晶界除了作為點缺陷（空位和間隙）的阱外，還可以作為小型空位團簇（所含空位數1-9）的阱。空位團簇在晶界附近具有較高的活性。其經過塊體擴散、局部吸收和局部沿晶擴散過程而被晶界吸收。相關研究結果發表在《核材料》（Journal of Nuclear Materials, 2013, 440, 250-256）雜志上。

為了深入考察晶界對輻照缺陷產生和演化的影響，科研人員使用靜態計算系統考察了鎢、鉬、鐵等金屬中部分晶界附近空位/間隙的擴散複合問題，獲得了晶界與缺陷作用的一系列參數：缺陷形成能，偏聚能，擴散-複合能壘，以及相應的作用範圍。這些參數為分析材料的抗輻照性能和設計新的高性能抗輻照材料提供了重要的基礎數據。相關研究結果發表在《核材料》（Journal of Nuclear Materials, 2014, 444, 229-236）雜志上。文章發表後受到國內外同行們的關注。

上述研究工作得到科技部國家磁約束核聚變能發展研究專項、國家自然科學基金委和中國科學院相關項目的支持。


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