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钨中氦泡融合条件的分子动力学模拟研究

原子能科学技术 2022年第1期56卷 168-176页

作者：徐阳杨章灿华中科技大学湖北武汉430074

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... 详细信息

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1500 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。

关键词：钨氦泡融合分子动力学聚变

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含氦泡辐照老化材料层裂损伤计算方法分析

爆炸与冲击 2023年第10期43卷 87-93页

作者：张凤国刘军王言金王裴郑晖北京应用物理与计算数学研究所北京100094

辐照条件下,一些材料内部产生大量的氦泡等微缺陷,氦泡的大小和数密度随着辐照年限的增长而增长。氦泡分布特征的变化不仅影响材料本身的物理、力学性质,而且直接影响材料层裂损伤演化后期材料破坏颗粒度的分布特征。延性材料的层裂损... 详细信息

辐照条件下,一些材料内部产生大量的氦泡等微缺陷,氦泡的大小和数密度随着辐照年限的增长而增长。氦泡分布特征的变化不仅影响材料本身的物理、力学性质,而且直接影响材料层裂损伤演化后期材料破坏颗粒度的分布特征。延性材料的层裂损伤演化过程一般包括孔洞的成核、增长和汇合,但因已有孔洞对新成核孔洞存在抑制作用,当初始孔洞数密度达到一定临界值时,材料内部没有新的孔洞成核,因此,层裂损伤的计算可以不考虑新孔洞成核的影响。本文中基于损伤早期演化的特征,给出了这一临界值的计算方法,并进一步探讨了含氦泡辐照老化钚材料层裂损伤的计算方法。同时,在完善孔洞增长(void growth,VG)层裂损伤模型中参数的确定方法的基础上,借助含氦泡常规铝材料的层裂实验结果,对此问题进行了定性的分析:在氦泡尺寸变化不大的情况下,当氦泡浓度低于临界氦泡浓度时,需要考虑初始氦泡以及新增孔洞的综合影响;反之,可以采用简单的层裂损伤模型,不需要计算孔洞成核,但由于增长孔洞之间的相互影响,损伤模型的初始损伤参数需要重新确定。

关键词：氦泡层裂损伤辐照老化临界氦泡浓度

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α-Fe中氦泡极限压强的分子动力学模拟

物理学报 2021年第7期70卷 267-275页

作者：李翔尹益辉张元章中国工程物理研究院总体工程研究所绵阳621999 西南科技大学应用技术学院绵阳621010

为了深入认识α-Fe中氦泡冲出位错环的微观机制,有必要研究α-Fe中氦泡冲出位错环时的极限压强特性.本文建立金属-氦泡的立方体型代表性体积单元模型,针对8种不同初始半径的球形氦泡,以初始氦空位比为变量,开展分子动力学模拟,得到了各... 详细信息

为了深入认识α-Fe中氦泡冲出位错环的微观机制,有必要研究α-Fe中氦泡冲出位错环时的极限压强特性.本文建立金属-氦泡的立方体型代表性体积单元模型,针对8种不同初始半径的球形氦泡,以初始氦空位比为变量,开展分子动力学模拟,得到了各模型中位错环开始形成时的氦泡极限压强和临界氦空位比.研究结果表明:对于无量纲半径介于2—10的氦泡,冲出位错环时的氦泡极限压强和临界氦空位比均随着氦泡初始半径的增大而非线性减小;基体中氦泡冲出位错环时的临界氦空位比具有明显的尺寸效应;初始时刻(0 ps),在经过立方体型模型中心的横截面上,氦泡周围Fe原子阵列的剪应力集中和最大剪应力出现在对角线与氦泡边界交点(即45°)处,并且关于横截面上平行于边的两条对折线对称分布,剪应力集中区的范围和最大剪应力均随着初始氦空位比的增大而增大;位错环冲出方向对应最大剪应力方向.本文的研究加深了对金属中氦泡物理特性的认识,为后续分析氦泡对材料宏观物理和力学性质的影响奠定了有益的基础.

关键词： α-Fe 氦泡初始氦空位比极限压强

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体心立方钨和铁中氦泡生长机制模拟研究进展

原子能科学技术 2021年第1期55卷 50-61页

作者：李信东任静霄芦远方谢红献河北工业大学机械工程学院天津300401

体心立方金属钨和铁作为核聚变反应堆的第一壁面向等离子体材料和第一壁结构材料处于高剂量的中子辐照环境中。辐照过程产生的氦原子易在金属内聚集形成氦泡,对材料微观结构和宏观力学性能产生极大影响。本文通过综合分析文献中关于通... 详细信息

体心立方金属钨和铁作为核聚变反应堆的第一壁面向等离子体材料和第一壁结构材料处于高剂量的中子辐照环境中。辐照过程产生的氦原子易在金属内聚集形成氦泡,对材料微观结构和宏观力学性能产生极大影响。本文通过综合分析文献中关于通过第一性原理、分子动力学和蒙特卡罗方法对氦泡形核和生长机制,比较了不同模拟条件下氦泡的演化机制。分析表明,晶界、位错、空位等内部缺陷和温度等外部条件都对氦泡的形核及其生长机制有影响。在此基础上提出了下一步研究方向和思路。

关键词：钨铁氦泡第一性原理分子动力学蒙特卡罗

金属氚化物中氦泡生长显微机制研究现状与发展趋势

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核化学与放射化学 2021年第3期43卷 183-192页

作者：申华海周晓松王海峰程贵钧中国工程物理研究院核物理与化学研究所四川绵阳621999

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... 详细信息

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。

关键词：金属氚化物氦泡显微机制透射电镜

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含氦泡金属铝层裂响应的数值分析

爆炸与冲击 2017年第4期37卷 699-704页

作者：张凤国胡晓棉王裴邵建立周洪强冯其京北京应用物理与计算数学研究所北京100094 北京应用物理与计算数学研究所计算物理重点实验室北京100088

因自辐照效应的影响,一些材料内部会产生大量的氦泡,关注这些氦泡对材料力学性能的影响是目前损伤破坏研究中的重要问题之一。结合相关文献的实验结果,采用耦合材料初始损伤、孔洞尺寸及惯性影响的损伤模型,对该问题进行了数值分析。结... 详细信息

因自辐照效应的影响,一些材料内部会产生大量的氦泡,关注这些氦泡对材料力学性能的影响是目前损伤破坏研究中的重要问题之一。结合相关文献的实验结果,采用耦合材料初始损伤、孔洞尺寸及惯性影响的损伤模型,对该问题进行了数值分析。结果显示:氦泡的内压及材料变形中温度的变化对损伤发展的影响很小;材料的初始损伤越大,材料内部应力减小得越快,损伤增长得越慢;因惯性的影响,初始氦泡越大,损伤增长相对较慢。因此,分析含氦泡材料的层裂损伤问题需要重点关注材料初始氦泡大小、初始损伤以及损伤演化过程中惯性的影响。

关键词：氦泡层裂响应铝数值分析

温度及深度对钛中氦泡释放过程影响的分子动力学研究

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物理学报 2015年第4期64卷 245-251页

作者：梁力谈效华向伟王远程焰林马明旺中国工程物理研究院电子工程研究所绵阳621999

利用分子动力学模拟方法对温度及He泡深度给金属Ti内He泡的体积、压强和释放过程等带来的影响进行了研究.首先,通过研究室温下He泡在金属Ti内不同深度处的状态,得到He泡的形状、压强、体积等物理量随其深度的变化规律.发现He泡压强随其... 详细信息

利用分子动力学模拟方法对温度及He泡深度给金属Ti内He泡的体积、压强和释放过程等带来的影响进行了研究.首先,通过研究室温下He泡在金属Ti内不同深度处的状态,得到He泡的形状、压强、体积等物理量随其深度的变化规律.发现He泡压强随其深度增加逐渐变大,体积则逐渐减小,但当He泡深度增大到2.6 nm时,二者均维持在某个固定值附近.然后对包含有He泡的Ti体系在温度作用下的演化过程进行了模拟,发现不同深度处He泡从金属Ti内释放出来所需要的临界温度有很大差别,总体来看He泡越深,释放所需的临界温度越高.但不同温度下He原子的释放速率没有明显差别,释放过程几乎均为瞬间完成.最后通过对He泡内部压强和其上方金属Ti薄层的抗张强度进行统计对比,阐述了金属Ti体内He泡的释放机制:当He泡内部压强大于其上方Ti薄层抗张强度时,He泡就会将Ti薄层撕裂,从而使He原子得到释放.

关键词：氦泡氢同位素金属Ti 分子动力学

钨中氦泡生长机理和融合条件的分子动力学模拟研究

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钨中氦泡生长机理和融合条件的分子动力学模拟研究

作者：徐阳华中科技大学

学位级别：硕士

在托卡马克聚变装置中,钨会受到低能高束流的氦等离子体冲刷,导致钨材料表面形成绒毛状纳米结构或针孔状表面损伤。目前普遍认为,氦致表面损伤的形成与钨表面下氦泡的演化行为密切相关。氦泡的生长与融合是钨中氦泡演化行为的重要环节... 详细信息

在托卡马克聚变装置中,钨会受到低能高束流的氦等离子体冲刷,导致钨材料表面形成绒毛状纳米结构或针孔状表面损伤。目前普遍认为,氦致表面损伤的形成与钨表面下氦泡的演化行为密切相关。氦泡的生长与融合是钨中氦泡演化行为的重要环节。因此,研究钨中氦泡的生长和融合机理对于钨在聚变服役条件下的长时间性能预测具有重要意义。本文采用分子动力学(MD)模拟方法,研究了高压氦泡在钨中生长的动力学机理以及氦泡在钨中的融合条件,主要工作如下:(1)研究了游离氦原子在应力场中的扩散规律,具体包括氦在单轴应变中的扩散以及氦在应变梯度中的扩散。研究发现,单轴应变导致氦原子的扩散表现出明显的方向依赖性,其中应变的性质(压缩或拉伸)、应变的大小以及温度是主要影响因素。应变梯度会导致氦原子在扩散时沿着应变梯度的方向发生定向漂移,氦原子定向漂移的强度可以用爱因斯坦关系来定量描述。据此,本文提出了高压氦泡在钨中生长的动力学机理:高压氦泡附近的应力场中存在明显的单轴应变和应变梯度,这会显著影响附近游离氦原子的扩散行为。本文研究结果也验证了高压氦泡附近的应力场能够显著增强游离氦原子向氦泡扩散的概率。(2)系统研究了氦泡在钨中的排列方向、温度、氦泡的氦空位比(He/V)值、氦泡的初始间距这四个因素对氦泡融合的影响。总的来说,氦泡沿钨的方向排列比沿方向排列更易发生融合;高温、高氦空位比以及较小的初始间距均可促进氦泡融合。

关键词：核聚变分子动力学钨氦泡融合生长机理应力场

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钚中氦泡生长模型

物理化学学报 2015年第B05期31卷 64-68页

作者：郑晖孙博刘海风宋海峰北京应用物理与计算数学研究所北京100094

239Pu核自发衰变产生的氦原子在材料中聚集形成氦泡，氦泡生长是钚材料老化的重要因素之一．通过分子动力学模拟，发现钚核白发衰变引起的原子级联碰撞过程可导致影响区域内的氦泡散裂，对氦泡生长的影响不可忽略，这是传统速率方程理... 详细信息

239Pu核自发衰变产生的氦原子在材料中聚集形成氦泡，氦泡生长是钚材料老化的重要因素之一．通过分子动力学模拟，发现钚核白发衰变引起的原子级联碰撞过程可导致影响区域内的氦泡散裂，对氦泡生长的影响不可忽略，这是传统速率方程理论不能很好描述钚中氦泡生长数据的一个重要原因．通过改进Schaldach．Wolfer速率方程模型，并选取适当的级联碰撞影响因子，得到与实验数据较好符合的理论结果，最后预测了100年内室温储存的钚中氦泡生长行为．

关键词：钚氦泡生长级联碰撞速率方程