基于OKMC方法的钨中子辐照模拟研究

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聚变装置中高能的中子辐照对壁材料的抗辐照性能提出了巨大挑战。金属钨由于其具有高熔点、低嬗变率、低氚滞留率等优点,被视为聚变装置的最佳第一壁材料,其中子辐照研究受到广泛关注。钨在高能中子辐照下会产生大量缺陷,在缺陷的扩散和相互作用下,钨的微结构会发生变化,宏观热力学性能随之发生变化。然而,由于高能中子流的缺乏,目前钨中子辐照研究主要以裂变中子辐照实验模拟、离子辐照实验模拟和多尺度计算机模拟三种形式进行,但前两者均不能完全模拟聚变堆中14.1Me V中子的影响。而多尺度计算机模拟可以弥补这一不足,并且可以从原子尺度到宏观尺度来研究微结构的演化,预测材料受辐照之后的热力学性能变化。在聚变材料多尺度计算模拟中,实体动力学蒙特卡罗(OKMC)方法扮演着承上启下的角色,是串联初级辐照损伤的小尺度研究和宏观微结构演化的大尺度研究的桥梁。OKMC方法优点之一在于保留了缺陷之间的空间分布,可以弱化或者消除初级辐照损伤级联的不均匀性和空间关联性,给宏观模拟方法提供精确的输入。另一方面,OKMC本身也可以进行大尺度的微结构演化模拟。因此,本文选用OKMC方法,研究了中子辐照下钨中初级辐照损伤级联老化的过程,以及长时间高剂量下钨中典型微结构——空洞阵列的形成,并且提出了一种可行的方法对OKMC模拟的不确定性和参数敏感性进行了分析。研究主要结论如下:(1)在363K下,对分子动力学计算得到的初级辐照损伤数据库进行了时长50ns的级联老化的模拟,研究得到PKA(Primary Knock-on Atom,初级撞出原子)能量对级联老化的影响主要体现为:随着PKA能量上升,复合比例下降,但是由于受到缺陷空间分布的影响,个别能量之间存在相反的规律。同时,可扩散出级联区域的SIA比例和SIA的整体扩散能力也随着PKA能量上升而下降,这表示PKA能量上升会减弱级联之间的相互作用。此外,研究所得到的缺陷尺寸分布和复合比例可作为更大尺度模拟方法的输入。(2)通过长时间高剂量的OKMC模拟(剂量率为10-9~10-3 dpa/s,模拟至2 dpa)发现,空洞阵列的形成可分为空洞形核、空洞排布有序化、空洞阵列稳定发展三个阶段。在考虑的众多影响因素中,空位团簇的解离会促进空洞阵列的形成,而SIA的转向会抑制空洞阵列的形成。PKA能量越高,级联间相互作用越弱,空洞阵列越不易形成。当温度低于空位启动温度(约600K)时,不会形成空洞阵列。同时,剂量率的上升也会抑制空洞阵列形成,然而在高温下,这种抑制效应变弱。除此之外,增加晶粒尺寸也会促进空洞阵列的形成。(3)最后本文使用Wilks非参数统计进行了OKMC模拟的不确定性分析,研究得到了不同输入参数分布区间下,空位团簇数量和平均尺寸的双侧95/95容忍区间。使用Spearman相关系数衡量模拟结果对输入参数的敏感性,发现缺陷的捕获半径对模拟结果的影响最大,SIA的转向势垒次之,而空位和SIA的迁移势垒的影响很小。
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