团簇动力学模型揭秘钨材料在辐射下的微结构演变

近期，上海大学力学与工程科学学院固体力学研究所研究者成功构建了一种简化的团簇动力学模型，该模型为探索裂变与聚变环境下钨材料的微结构演变提供了有力的分析手段。

面对全球能源需求的持续攀升及环境挑战的日益严峻，核聚变能源以其清洁性、高效性和可持续性，被视为未来能源领域的一颗璀璨新星。聚变反应堆运行时的高温环境对材料提出了极高要求，而钨基材料凭借其卓越的熔点、出色的热性能、低氢溶解度及溅射产率，成为了面向等离子体组件（PFC），尤其是第一壁和偏滤器的理想选择。

在聚变反应堆，如托卡马克装置中，面向等离子体的材料需承受D-T聚变反应释放的高能中子、氢同位素（H、D、T）及氦（He）离子的强烈轰击，这会导致材料表面及内部遭受严重损伤。特别是，氦原子易与材料中的空位结合，形成氦气泡，进而加剧空位的滞留，引发表面粗糙化，并对材料的力学性能（如硬化、脆化）产生负面影响。此外，氦注入形成的氦气泡密度远高于普通空隙，加速了材料的退化过程。因此，深入探究面向等离子体材料的辐射诱导缺陷形成与演化机制至关重要。

为了更好地理解辐照条件下钨材料的微观结构变化，研究团队开发了团簇动力学模型。该模型综合考虑了点缺陷、小型缺陷团簇、氦团簇的生成与相互作用，以及大尺寸不可移动缺陷（如间隙位错环、空洞、氦气泡）的成核与生长过程。通过引入原子尺度的位错环穿刺机制，模型能够精确模拟有无氦注入条件下辐射诱导缺陷的演化动态。

研究结果显示：1）在低温条件（低于300K）下，空隙和气泡无法形成；而在高温环境（高于1000K）且剂量超过3dpa时，间隙环趋于消失，这与实验观察结果相吻合。2）随着温度升高，间隙环的密度增加、尺寸减小，而空隙/气泡则呈现相反趋势。氦注入会促进空位型团簇的成核与生长，因为氦原子更倾向于与空位结合。3）考虑环冲压效应可略微加速气泡生长，并对气泡内部压力及氦空位比产生显著影响。4）为匹配模拟与实验测量之间的压力和氦空位比，需考虑环路冲压的内部压强制反馈机制，以有效调控气泡的生长动力学。

该研究成果已以“A reduced cluster dynamics modeling of radiation damage in tungsten”为题发表在《Nuclear Materials and Energy》上。

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