【摘 要】
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锆合金因良好的抗腐蚀性能和优异的力学性能被广泛用作核动力压水堆包壳材料。锆合金作在高温下与水直接接触,并产生大量的氢。当氢的浓度达到极限时,极有可能行成脆性氢化物,从而导致材料的氢脆现象。在实际使用过程中,材料中的固有杂质（如碳,氮,氧）会与氢发生相互作用,从而对锆合金的力学性能及机械性能产生很大影响。因此,研究杂质原子在锆中的行为及其与氢原子的相互作用具有十分重要的意义。在本文中,我们采用第一性
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锆合金因良好的抗腐蚀性能和优异的力学性能被广泛用作核动力压水堆包壳材料。锆合金作在高温下与水直接接触,并产生大量的氢。当氢的浓度达到极限时,极有可能行成脆性氢化物,从而导致材料的氢脆现象。在实际使用过程中,材料中的固有杂质（如碳,氮,氧）会与氢发生相互作用,从而对锆合金的力学性能及机械性能产生很大影响。因此,研究杂质原子在锆中的行为及其与氢原子的相互作用具有十分重要的意义。在本文中,我们采用第一性原理方法研究了金属锆块体中杂质原子的行为及其对氢原子的影响。通过计算杂质原子在不同占位下的形成能、杂质-杂质的结合能和杂质原子在金属锆中的扩散势垒,我们揭示了杂质原子的行为,确定了杂质原子的最稳定占位、杂质间的相互作用关系以及杂质原子在金属锆块体中的最佳扩散路径。通过计算单个氢原子的稳定性、两个氢原子的相互作用、氢原子的空位形成能以及氢原子在不同路径下的扩散势垒,我们揭示了氢原子在金属锆中最稳定的构型及其对应的形成能,并确定了氢原子在金属锆块体中的最佳扩散路径。通过研究杂质-氢的结合能、杂质存在时氢原子形成的变化及扩散系数的变化,我们揭示了杂质原子对氢原子行为的影响。我们的计算结果表明,在完整金属锆块体中,杂质原子的最稳定占位为八面体间隙位而氢原子的最稳定占位为四面体间隙位。另外,我们讨论了杂质原子对氢原子扩散行为的影响,我们发现杂质原子对氢原子有吸引作用,杂质原子的存在会使得氢原子的形成能有所降低,使氢原子更稳定。当存在杂质时,氢原子的扩散势垒会发生改变,杂质原子会抑制氢原子在锆中的扩散。
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