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基于第一性原理计算的Nb含量对hcp Zr-Nb合金力学性质的影响

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材料导报 2022年第18期36卷 182-187页

作者：周少兰潘荣剑王海莲汤爱涛何建新重庆大学材料科学与工程学院重庆400044 中国核动力研究设计院第一研究所成都610005 西南技术工程研究所重庆400039

基于密度泛函理论为基础的第一性原理计算方法,通过虚拟晶体近似建模,以密排六方(hcp)结构的Zr-Nb合金为研究对象,计算其弹性常数、弹性模量、泊松比等力学常数,研究Nb含量对Zr-Nb合金力学性能的影响。结果表明:通过虚拟晶体近似方法计... 详细信息

基于密度泛函理论为基础的第一性原理计算方法,通过虚拟晶体近似建模,以密排六方(hcp)结构的Zr-Nb合金为研究对象,计算其弹性常数、弹性模量、泊松比等力学常数,研究Nb含量对Zr-Nb合金力学性能的影响。结果表明:通过虚拟晶体近似方法计算得到的晶格参数与实验及其的计算值符合良好,晶格常数a、c随Nb含量的增加而减小。当Nb含量大于10%(原子分数,下同)时,hcp Zr-Nb力学失稳,在力学稳定的条件下(Nb含量低于10%),随Nb含量的增加,体积模量B递增,剪切模量G、弹性模量E递减。各韧脆性判据均表明,随着Nb含量的增加,Zr-Nb合金韧性逐步提高。

关键词：第一性原理虚拟晶体近似 Zr-Nb合金力学性质

FeCrAl和Zr-2燃料包壳在中子辐照下的热力响应模拟

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稀有金属材料与工程 2022年第7期51卷 2460-2466页

作者：赵辉杨冲郭冬旭吴璐潘荣剑覃检涛石宝东燕山大学机械工程学院国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心河北秦皇岛066004 中国核动力研究设计院第一研究所核燃料及材料国家重点实验室四川成都610041

选用Fe Cr Al合金中具有代表性的C35M合金为研究对象,建立小型燃料棒模型,基于用户材料子程序(UMAT),将C35M合金的辐照蠕变模型嵌入子程序中,通过有限元软件ABAQUS计算了其在中子辐照下的热力耦合行为。选用Zr-2合金作为对比,分析了包... 详细信息

选用Fe Cr Al合金中具有代表性的C35M合金为研究对象,建立小型燃料棒模型,基于用户材料子程序(UMAT),将C35M合金的辐照蠕变模型嵌入子程序中,通过有限元软件ABAQUS计算了其在中子辐照下的热力耦合行为。选用Zr-2合金作为对比,分析了包壳的温度场、应力场、位移场以及间隙距离随时间的演变。结果表明,2种合金的温度场、应力场分布相同,温度分布主要受冷却剂影响,应力场则与温度、蠕变速率有关。在运行过程中,Zr-2合金以辐照生长为主,C35M合金则为辐照蠕变以及少量的热膨胀变形。Zr-2合金的间隙闭合速率远大于C35M合金,这表明C35M合金可以延长事故反应时间,但为了适应反应堆内的复杂环境,材料仍需继续优化,提高其强度以及蠕变速率。

关键词：中子辐照辐照蠕变 FeCrAl Zr-2 包壳

U_(3)Si_(2)核燃料孔隙演化的三维相场模拟

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原子能科学技术 2023年第S01期57卷 166-173页

作者：马聪张静信天缘潘荣剑王青青赵民覃检涛毛建军吴璐中国核动力研究设计院第一研究所四川成都610041 西北工业大学凝固技术国家重点实验室陕西西安710072

U_(3)Si_(2)较UO_(2)具有更高的热导率和铀密度,故被考虑用作UO_(2)的耐事故替代燃料。然而U_(3)Si_(2)燃料在辐照过程中产生大量的点缺陷易簇聚成孔隙或气泡导致肿胀,影响燃料的服役性能和寿命。本文采用三维相场方法研究了裂变密度对U... 详细信息

U_(3)Si_(2)较UO_(2)具有更高的热导率和铀密度,故被考虑用作UO_(2)的耐事故替代燃料。然而U_(3)Si_(2)燃料在辐照过程中产生大量的点缺陷易簇聚成孔隙或气泡导致肿胀,影响燃料的服役性能和寿命。本文采用三维相场方法研究了裂变密度对U_(3)Si_(2)燃料孔隙演化的影响。结果表明:孔隙平均半径〈R〉与裂变密度F_(D)幂律相关,满足关系式〈R〉∝F^(z)_(D),幂指数z为0.45;孔隙尺寸分布呈对数正态分布,与裂变密度无关。孔隙平均尺寸随裂变密度的增加而变大,大致在2~20 nm范围内。空位数量、孔隙率、肿胀率和裂变密度呈正相关,孔隙浓度随裂变密度迅速增加后缓慢减少至稳定值。当裂变密度为14×10^(20)cm^(-3)时,孔隙浓度约为1.6×10^(16)cm^(-3),孔隙率约为0.1,燃料体积的肿胀率不超过3%。模拟结果与实验值吻合较好。

关键词：相场模拟 U_(3)Si_(2)燃料孔隙肿胀裂变密度

分子动力学在镁及镁合金微观塑性变形中的应用进展

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材料导报 2019年第19期33卷 3290-3297页

作者：王煜烨汤爱涛潘荣剑潘复生重庆大学材料科学与工程学院重庆400044 重庆大学国家镁合金材料工程技术研究中心重庆400044 中国核动力研究设计院第一研究所成都610005

镁合金作为最轻的金属结构材料,具有比强度和比刚度高等优点,被视为极具应用潜力的轻合金。然而,镁合金为密排六方结构,可启动的滑移系少,室温塑性变形能力较差,这成为限制其广泛应用的主要原因之一。因此深入研究镁及其合金的微观塑性... 详细信息

镁合金作为最轻的金属结构材料,具有比强度和比刚度高等优点,被视为极具应用潜力的轻合金。然而,镁合金为密排六方结构,可启动的滑移系少,室温塑性变形能力较差,这成为限制其广泛应用的主要原因之一。因此深入研究镁及其合金的微观塑性变形机制能为合金设计、加工工艺优化提供思路。镁及镁合金的微观塑性变形行为和机制较复杂,仅通过试验方法较难厘清具体微观结构、变形条件与材料性质之间的关系。而分子动力学作为研究原子(或分子)微观尺度下的行为和性质的重要方法,近年来在镁及其合金中的应用受到越来越多的关注。分子动力学方法可用于计算各类热力学及动力学性质,同时还可以模拟特定加载条件下的原子运动情况。对于镁及镁合金的微观塑性变形机制,目前研究者多关注位错与滑移、孪晶、晶界等问题。镁及镁合金最基本的滑移系为基面滑移系,同时还有潜在的柱面滑移系和锥面滑移系,研究者一般利用分子动力学模拟拉伸、压缩等情况来探究镁及镁合金中各滑移系的开动情况,其中对〈 c+a 〉位错的滑移和分解的情况研究较多。同时,由于镁及镁合金滑移系较少,相比于面心立方和体心立方结构金属,孪生对镁及镁合金塑性变形能力的贡献更不容忽视,已有研究者利用设置初始缺陷、微结构、溶质原子等方法模拟孪晶的形核与长大过程,讨论孪晶的形核条件及产生的孪晶类型。对晶界的研究可与细晶强化、织构等多晶体塑性变形机制相联系,但目前分子动力学方法能达到的尺寸规模还难以模拟出微米级的多晶,因此研究者多关注双晶、纳米多晶的晶界迁移行为以及晶界与其他微结构的交互作用等问题。同时,分子动力学计算模拟的可靠性主要依赖于势函数的精确性,早期由于势函数的不足,分子动力学方法仅在纯镁中应用较多。近年来随着势函数的研究增多,特别是次近邻修正嵌入原子势的发展,可用于描述二元系镁合金原子间作用的势函数开始丰富,对于镁合金的分子动力学研究也逐渐增多。本文对分子动力学理论和方法进行了简介,重点综述了分子动力学方法对镁及其合金的微观塑性变形机理的研究。从分子动力学方法在镁及其合金的势函数、位错滑移、孪晶、晶界、固溶及第二相等方面的应用进行概述,并对分子动力学模拟方法运用于镁及其合金进行了展望。

关键词：镁合金分子动力学塑性变形原子间作用势

锆铌合金的特殊准随机结构模型的分子动力学研究

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物理学报 2021年第3期70卷 91-98页

作者：周明锦侯氢潘荣剑吴璐付宝勤四川大学原子核科学技术研究所辐射物理及技术教育部重点实验室成都610064 中国核动力研究设计院第一研究所成都610005

锆合金(如:锆铌(Zr-Nb)合金)的辐照损伤问题是裂变堆结构材料和燃料棒包壳材料设计的关键,而深入理解辐照损伤的物理机制,往往需借助于原子尺度的计算模拟,如:分子动力学和第一性原理等.针对随机置换固溶体合金的模拟,首先需构建能反映... 详细信息

锆合金(如:锆铌(Zr-Nb)合金)的辐照损伤问题是裂变堆结构材料和燃料棒包壳材料设计的关键,而深入理解辐照损伤的物理机制,往往需借助于原子尺度的计算模拟,如:分子动力学和第一性原理等.针对随机置换固溶体合金的模拟,首先需构建能反映合金元素随机分布特征的大尺寸超胞,然而第一性原理计算量大,不宜使用过大(如≥200原子)超胞.通常第一性原理计算使用的是特殊准随机(SQS)超胞,SQS超胞可部分反映合金元素的随机分布特性,但对于特定组分只对应一种构型,这种模型是否能反映真实随机置换固溶体中多种局域构型的统计平均还有待进一步研究验证.分子动力学可在更大的尺度上进行计算模拟,能够通过随机取代(RSS)模型研究更多的合金构型,因此,本文基于RSS超胞模型及SQS扩展超胞模型,运用分子动力学方法对Zr-Nb合金进行了研究.首先通过构型误差分析确定了能真实反映固溶体合金性能统计性的RSS超胞的临界尺寸;然后计算比较了Zr-Nb合金SQS扩展超胞和一系列RSS超胞的晶格常数、形成能和能量—体积关系.研究表明,利用SQS超胞模拟得到的固溶体的晶格常数、形成能和能量体积曲线与一系列RSS超胞的对应统计值接近,因而SQS超胞可用于研究随机置换固溶体合金.

关键词：锆铌合金分子动力学 SQS模型临界超胞

钒钛磁铁矿内配碳球团内部传热机理及试验研究

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钒钛磁铁矿内配碳球团内部传热机理及试验研究

作者：潘荣剑西华大学

学位级别：硕士

本论文研究的主要内容是钒钛磁铁矿内配碳球团内部传热机理及试验研究。通过对单个钒钛铁精矿内配碳球团内部传热机理及球团综合导热系数的测定及其影响因素的试验研究，来获得球团综合导热系数的测定结果，探明传热对还原进行程度的影... 详细信息

本论文研究的主要内容是钒钛磁铁矿内配碳球团内部传热机理及试验研究。通过对单个钒钛铁精矿内配碳球团内部传热机理及球团综合导热系数的测定及其影响因素的试验研究，来获得球团综合导热系数的测定结果，探明传热对还原进行程度的影响机理，并为提高钒钛铁精矿煤基直接还原料层传热效率提供理论依据。针对影响单个球团内部传热的主要因素之一——综合导热系数为核心来分析其对单个球团内部传热机理的研究。本论文中所采用的主要设备是DDJ-50型电动液压制样机和DRS-Ⅲ导热系数测试仪。具体实施的方法：第一，通过对不同矿煤配比的钒钛铁精矿内配碳测试样在设定的几个不同热面温度下的综合导热系数的测定和不同压力成型的钒钛铁精矿内配碳测试样在设定的几个不同热面温度下的综合导热系数的测定，来分析钒钛铁精矿内配碳球团综合导热系数的变化。第二，选取一个合适的矿煤质量比和成型压力的试样M2，在设定的几个不同热面温度下得到的反应产物，取一部分反应产物采用XRD和Olypus偏光显微镜+大型岩相分析软件，分别对反应产物进行物相分析和微观形貌分析，利用化学分析对设定的几个不同热面温度下M2试样的TFe和MFe的含量分析，从而计算其在设定的几个不同热面温度下的M2试样的金属化率。通过以上的方法得出，在球团热面温度为773K273K温度范围内，不同矿煤质量比从100:15～100:30过程中的综合导热系数变化范围为：0.2143W/（m·K）.6855W/（m·K）。不同球团成型压力从20MPa5MPa过程中的综合导热系数变化范围为：0.2208W/（m·K）.5146W/（m·K）。矿煤质量比和球团成型压力对球团综合导热系数的影响不是很大，主要是物相组成和孔隙率对综合导热系数的影响。另外，为了对推导的单个球团内部传热的温度场分布数学模型的验证，自行设计了一套内配碳球团内部温度测试装置。

关键词：钒钛磁铁矿内配碳球团内部传热机理综合导热系数

双模晶体相场研究六方四方相变过程中晶界和位错演化

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稀有金属材料与工程 2020年第12期49卷 4103-4111页

作者：吴璐潘荣剑张伟陈铮王贺然张静中国核动力研究设计院第一研究所四川成都610005 中国核动力研究设计院核燃料及材料国家重点实验室四川成都610041 西北工业大学材料学院陕西西安710072

采用双模晶体相场法研究六方相向正方相的转变。分别针对倾侧角为0°、15°、30°和45°,晶粒取向差为6°的六方相体系做了研究。结果表明:六方晶粒长大、溶合、并形成共格晶界,位错组沿六方晶界均匀分布,并有2种取向。正方相在位错组... 详细信息

采用双模晶体相场法研究六方相向正方相的转变。分别针对倾侧角为0°、15°、30°和45°,晶粒取向差为6°的六方相体系做了研究。结果表明:六方晶粒长大、溶合、并形成共格晶界,位错组沿六方晶界均匀分布,并有2种取向。正方相在位错组处形核,并且其取向取决于位错组取向。每一种倾侧角的体系中均形成2个取向正方相的变体。针对倾侧角为0°、15°、30°和45°的六方相体系,生成的四方相相变体之间的取向差分别为30°、30°、10°和5°。不同取向的正方相晶粒长大熟化的方式有差异,位于有利取向的晶粒将会优先生长并占据主导地位。以共格晶界形式长大的晶粒,晶界处有位错组生成以松弛晶粒长大的应力集中。

关键词：晶界位错组正方相变体相变晶体相场

点缺陷和Nb掺杂对α-Zr弹性模量各向异性影响的第一性原理研究

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稀有金属材料与工程 2021年第8期50卷 3031-3034页

作者：信天缘陈炫宇张伟张伟伟覃检涛吴璐潘荣剑中国核动力研究设计院第一研究所四川成都610005 复旦大学现代物理研究所教育部核物理与离子束应用重点实验室上海200433

基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了点缺陷和Nb原子掺杂对α-Zr力学性质的影响。结果表明,单空位引入使得α-Zr的剪切模量增大,Nb原子掺杂使得α-Zr的剪切模量下降。通过计算含不同点缺陷的α-Zr三维杨氏模量,得到点缺陷引入和Nb... 详细信息

基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了点缺陷和Nb原子掺杂对α-Zr力学性质的影响。结果表明,单空位引入使得α-Zr的剪切模量增大,Nb原子掺杂使得α-Zr的剪切模量下降。通过计算含不同点缺陷的α-Zr三维杨氏模量,得到点缺陷引入和Nb掺杂均会使α-Zr结构的各向异性减弱,从而可以在一定程度上缓解因各向异性导致的锆合金辐照效应。

关键词： α-Zr 点缺陷密度泛函理论各向异性

基于人工神经网络的RPV材料辐照脆化预测模型研究

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核动力工程 2020年第6期41卷 92-95页

作者：康靓孙凯米晓希吴璐毛建军张烁雷阳潘荣剑汤爱涛重庆大学材料科学与工程学院重庆400044 中国核动力研究设计院成都610213

在分析一定量随站测试样品的基础上,构建了具有较高精度的反应堆压力容器(RPV)材料韧脆转变温度(DBTT)预测的人工神经网络模型,并利用模型研究了中子注量和中子注量率对RPV材料DBTT的影响。结果表明,材料DBTT随着中子注量增加出现先线... 详细信息

在分析一定量随站测试样品的基础上,构建了具有较高精度的反应堆压力容器(RPV)材料韧脆转变温度(DBTT)预测的人工神经网络模型,并利用模型研究了中子注量和中子注量率对RPV材料DBTT的影响。结果表明,材料DBTT随着中子注量增加出现先线性上升,然后平缓上升,最后饱和的趋势,而中子注量率对RPV材料辐照脆化的影响不明显。

关键词：反应堆压力容器(RPV) 误差逆向传播的神经网络模型(BP-ANN) 辐照脆化韧脆转变温度(DBTT)