钨中近表面氦泡行为的分子动力学模拟

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钨因其熔点高、热导率高、溅射产额低等优点,被用作国际热核聚变实验堆(ITER)中的面对等离子材料。面对等离子体材料在受到氦、氢等杂质的轰击后,杂质原子在材料中扩散、聚集成泡,导致材料形成纳米结构的表面损伤,并可能影响装置的使用性能和寿命。本论文用分子动力学方法,对氦泡在钨表面的行为进行了模拟研究,希望为面对等离子材料的优化提供一些依据和指导。  用分子静力学方法计算了钨块体和表面的性质,对比了不同类型的缺陷形成能,说明采用的势函数以及计算方法是合理的。在此基础上对比了三个表面的表面形成能,以及距表面不同深度处氦/氢缺陷的形成能,得到表面的影响区域约3-4埃。  用分子动力学方法模拟了钨中近表面氦泡的生长释放及后续表面孔洞的修复,考察了表面取向、氦泡的氦-空位比、温度和氦泡深度四个因素对演化过程和作用机理的影响。通过测定氦泡内部压强、氦释放率、钨表面形貌、孔洞的形状大小和变化等,揭示不同条件下钨表面形貌的形成机理。氦泡生长过程中,对稳定表面如(001)面,氦泡倾向于通过向表面发射位错释放高压;对较不稳定表面如(111)面,氦泡将均匀挤压表面,同时基底钨原子离位现象更明显。最后的表面形貌(001)面呈片状,(011)面呈台阶状,(111)面呈鼓包状。释放完成后表面裂口可部分自行修复,(111)面最终所遗留孔洞的尺寸随着氦-空位比的增大和氦泡深度的减小而增大,升温可加速孔洞的修复速率,但对孔洞尺寸影响不大。
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