【摘 要】
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聚变堆以及第四代先进裂变堆候选材料核结构钢—铁素体/马氏体（Ferritic/Martensitic,F/M）钢会经受高达14 MeV的中子辐照。高能中子辐照不仅会造成严重的离位损伤,还会与基体元素发生（n,α）、（n,p）嬗变反应产生大量的氦和氢等嬗变元素。氦在金属中的溶解度很低,容易聚集在材料缺陷如空洞、位错和晶界等处,形成纳米尺寸的氦泡。氦泡通常会导致结构钢的机械性能降级,如加剧其辐照硬化、
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聚变堆以及第四代先进裂变堆候选材料核结构钢—铁素体/马氏体（Ferritic/Martensitic,F/M）钢会经受高达14 MeV的中子辐照。高能中子辐照不仅会造成严重的离位损伤,还会与基体元素发生（n,α）、（n,p）嬗变反应产生大量的氦和氢等嬗变元素。氦在金属中的溶解度很低,容易聚集在材料缺陷如空洞、位错和晶界等处,形成纳米尺寸的氦泡。氦泡通常会导致结构钢的机械性能降级,如加剧其辐照硬化、辐照脆化、辐照肿胀等,减少其服役寿命,这种现象通常称为辐照氦效应。研究核结构F/M钢中氦泡的形成以及生长的机理,对于设计具有抗辐照氦效应的材料具有重要意义。氦泡的形成阶段难以用实验手段研究,而多尺度数值模拟方法可以便捷、高效地研究材料中氦泡的性质,被越来越多地应用到核结构钢氦泡演化的研究中。本论文使用第一性原理方法、分子动力学方法和动力学蒙特卡洛方法,分别对F/M钢的基体材料BCC铁中氦泡的形成以及生长机理进行了研究,主要内容为:（1）研究了小尺寸氦团簇形成过程中氦原子近距离吸引作用的机理。研究结果表明当BCC铁中两个间隙氦原子距离小于一个晶格常数时会结合为氦对结构,其平衡间距约1.6 （?）而结合能为0.15～0.49 eV。研究发现氦对排斥近邻铁原子占据较大的空间,使得其电荷密度变化相比远距离间隙氦-氦结构更小,因此更加稳定。氦对结构会作为整体在BCC铁中迁移,其复杂的迁移过程可以准确、直观、全面地由氦-氦形成能面描述。（2）研究了辐照级联和氦协同引入条件下氦泡的形成机理,探究了温度、位错线、辐照级联和氢等对氦泡形成的影响。研究发现高温会加速氦原子的迁移和氦泡的演化,使得氦团簇的尺寸增加、数密度降低。位错线应力场可以促使在位错线附近形成一连串的低氦含量的氦团簇。研究发现了分子动力学时间尺度内大尺寸氦-空位团簇的合并过程,其合并机理为自发进行的踢出合并,以及由级联导致的级联合并。位错线会抑制其附近氦-空位团簇的踢出合并,而促使级联合并的发生。（3）研究了辐照级联对纳米尺寸氦泡的稳定性以及迁移、合并的定量影响。研究发现在级联的作用下,氦泡稳定He/V比约为0.5。随着氦泡He/V比的增加,级联导致的氦泡迁移机理由空位迁移逐渐转变为氦原子迁移,其单次级联的迁移距离由1 nm减少为1 A左右。级联也可以导致两个表面间距为2.8 （?）的氦泡的合并,其合并几率随着He/V 比的增加先减小后上升。研究表明两个氦泡之间的应力场可以显著促进氦泡的合并。氢会显著地抑制级联导致的空洞迁移,使得其合并几率下降;而氢的存在增强了氦泡之间的应力场,使得氦泡在级联下的合并几率增加。（4）研究了接近高能中子辐照参数下氦泡的长时演化过程。通过编写OVITO（Python）程序脚本实现了分子动力学程序LAMMPS以及动力学蒙特卡洛程序MMonCa输入输出构型的相互转化,从而实现了一种分子动力学-动力学蒙特卡洛程序的耦合方法。模拟了氦泡从氦原子引入开始的秒量级时间尺度的演化,并与高能散裂中子源辐照下结构钢中氦泡密度数据进行对比,表明该耦合模型比单独的MD方法及KMC方法均更接近实际辐照情况。本论文的所有研究结论有望为理解F/M钢中氦泡的演化机理,从而为设计和改进抗辐照氦效应材料提供有价值的参考。
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