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随着社会经济的发展，人们对能源的需求越来越大，然而全球化石能源面临着枯竭的危机，寻找可替代的清洁新型能源，解决能源危机是目前全球研究的热点话题之一。核能，因清洁环保，高效等优势，被人们公认为是最理想的可替代新能源。核结构材料作为核反应堆中的关键部件，一般都处于高温、腐蚀介质和辐照等特殊条件下，核反应堆结构材料直接决定了核反应堆的安全性和服役寿命。因此，在先进核反应堆的应用开发过程中，结构材料的研发是至关重要的。目前镍基合金作为未来先进核反应堆结构材料具有重要的应用前景，深入探讨镍基合金的抗辐照性能是十分必要的。
本工作采用分子动力学方法研究了Ni单质、Ni基合金、Ni基非晶和Ni基单相固溶体合金的抗辐照性能。首先，研究了∑3(111)、∑11(113)和∑19(331)三种对称晶界和掺杂He原子对Ni中级联缺陷的影响。模拟结果表明，∑11(113)和∑19(331)对称晶界对辐照诱导产生的间隙缺陷和掺杂He原子具有“吸附”作用，从而导致间隙缺陷和空位缺陷分布在不同区域，使其缺陷复合率降低。而∑3(111)对称晶界对Ni中辐照缺陷几乎没有影响。同时，还发现在∑11(113)和∑19(331)对称晶界中He原子团簇的分布对Ni中位错环的形成有一定的促进作用。
其次，为了研究NiMo合金级联效应，本文采用本课题组发展的MAEAM势函数模型构建了Ni-Ni、Mo-Mo和Ni-Mo原子间相互作用势，并与实验、第一性原理结果以及已有的势函数结果进行了详细对比。结果表明本文新构建的势函数其各项物理性能的验算结果均能很好地吻合实验值及第一性原理结果，且在描述辐照缺陷方面，新的势函数相比于已有的势函数具有一定优势。进一步采用新构建的势函数对比研究了Ni和NiMo合金的抗辐照性能，分析了辐照后缺陷的形成和分布，研究结果表明新构建的势函数可以适用于NiMo合金体系级联模拟。
再次，还研究了Ni-Zr-Mo三元非晶体系非晶的形成能力与抗辐照性能之间的关系。在本研究中，首先研究了Ni64Zr36-xMox中微量Mo元素的添加，对非晶形成能力的影响。研究结果表明，随着微量Mo元素的增加，非晶形成能力先是增加，在fMo=0.21附近到达最大，再添加Mo元素其非晶形成能力反而降低，模拟得到的结论与已有的理论和实验结果相符。而且Mo原子的添加不单单是简单的替换Zr原子，而且还显著改变体系原子的堆垛方式和化学序，使体系原子排列更紧凑、更稳定。通过第一性原理分子动力学计算电子态密度等方法验证了新提出的拓扑密堆(Topologically close-packed, TCP)团簇可以有效且准确地表征该体系的非晶形成能力，而目前通用的二十面体(Icosahedron, ICO)团簇对该体系的结构特征缺乏合理的表征能力。最后，对Ni64Zr36-xMox进行了级联碰撞模拟，采用TCP团簇表征方法分析发现，TCP团簇越多，非晶形成能力越好，其抗辐照性能越强。
最后，本文还对比研究了Ni单质和NiCoFe三元单相固溶体合金的抗辐照性能。研究结果表明相比于Ni单质，NiCoFe单相固溶体合金在级联过程中由于能量耗散速度比较慢，间隙缺陷团簇迁移运动方式为三维运动等原因，辐照后剩余缺陷比较少，缺陷的复合率高，抗辐照性能好。进一步分析了Ni和NiCoFe中存在的位错反应，解释了辐照诱导产生的复杂位错环/网的机理。
综上所述，本文对比研究了Ni单质、Ni基合金、Ni基非晶和Ni基单相固溶体合金的抗辐照性能，揭示了不同Ni基合金体系辐照前后结构的演化机理以及Ni基非晶和Ni基单相固溶体合金抗辐照性能好的原因。同时，提出了调整非晶合金的成分方法来选择性地调控非晶合金的结构以及非晶的形成能力，从而获得抗辐照性能好的非晶合金的技术手段，为非晶合金的制造和未来先进核反应堆结构材料的开发与设计提供了指导。
本工作采用分子动力学方法研究了Ni单质、Ni基合金、Ni基非晶和Ni基单相固溶体合金的抗辐照性能。首先，研究了∑3(111)、∑11(113)和∑19(331)三种对称晶界和掺杂He原子对Ni中级联缺陷的影响。模拟结果表明，∑11(113)和∑19(331)对称晶界对辐照诱导产生的间隙缺陷和掺杂He原子具有“吸附”作用，从而导致间隙缺陷和空位缺陷分布在不同区域，使其缺陷复合率降低。而∑3(111)对称晶界对Ni中辐照缺陷几乎没有影响。同时，还发现在∑11(113)和∑19(331)对称晶界中He原子团簇的分布对Ni中位错环的形成有一定的促进作用。
其次，为了研究NiMo合金级联效应，本文采用本课题组发展的MAEAM势函数模型构建了Ni-Ni、Mo-Mo和Ni-Mo原子间相互作用势，并与实验、第一性原理结果以及已有的势函数结果进行了详细对比。结果表明本文新构建的势函数其各项物理性能的验算结果均能很好地吻合实验值及第一性原理结果，且在描述辐照缺陷方面，新的势函数相比于已有的势函数具有一定优势。进一步采用新构建的势函数对比研究了Ni和NiMo合金的抗辐照性能，分析了辐照后缺陷的形成和分布，研究结果表明新构建的势函数可以适用于NiMo合金体系级联模拟。
再次，还研究了Ni-Zr-Mo三元非晶体系非晶的形成能力与抗辐照性能之间的关系。在本研究中，首先研究了Ni64Zr36-xMox中微量Mo元素的添加，对非晶形成能力的影响。研究结果表明，随着微量Mo元素的增加，非晶形成能力先是增加，在fMo=0.21附近到达最大，再添加Mo元素其非晶形成能力反而降低，模拟得到的结论与已有的理论和实验结果相符。而且Mo原子的添加不单单是简单的替换Zr原子，而且还显著改变体系原子的堆垛方式和化学序，使体系原子排列更紧凑、更稳定。通过第一性原理分子动力学计算电子态密度等方法验证了新提出的拓扑密堆(Topologically close-packed, TCP)团簇可以有效且准确地表征该体系的非晶形成能力，而目前通用的二十面体(Icosahedron, ICO)团簇对该体系的结构特征缺乏合理的表征能力。最后，对Ni64Zr36-xMox进行了级联碰撞模拟，采用TCP团簇表征方法分析发现，TCP团簇越多，非晶形成能力越好，其抗辐照性能越强。
最后，本文还对比研究了Ni单质和NiCoFe三元单相固溶体合金的抗辐照性能。研究结果表明相比于Ni单质，NiCoFe单相固溶体合金在级联过程中由于能量耗散速度比较慢，间隙缺陷团簇迁移运动方式为三维运动等原因，辐照后剩余缺陷比较少，缺陷的复合率高，抗辐照性能好。进一步分析了Ni和NiCoFe中存在的位错反应，解释了辐照诱导产生的复杂位错环/网的机理。
综上所述，本文对比研究了Ni单质、Ni基合金、Ni基非晶和Ni基单相固溶体合金的抗辐照性能，揭示了不同Ni基合金体系辐照前后结构的演化机理以及Ni基非晶和Ni基单相固溶体合金抗辐照性能好的原因。同时，提出了调整非晶合金的成分方法来选择性地调控非晶合金的结构以及非晶的形成能力，从而获得抗辐照性能好的非晶合金的技术手段，为非晶合金的制造和未来先进核反应堆结构材料的开发与设计提供了指导。