近期，上海大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院固體力學(xué)研究所研究者成功構(gòu)建了一種簡化的團簇動力學(xué)模型，該模型為探索裂變與聚變環(huán)境下鎢材料的微結(jié)構(gòu)演變提供了有力的分析手段。
中鎢在線鎢銅合金材料圖片
面對全球能源需求的持續(xù)攀升及環(huán)境挑戰(zhàn)的日益嚴峻，核聚變能源以其清潔性、高效性和可持續(xù)性，被視為未來能源領(lǐng)域的一顆璀璨新星。聚變反應(yīng)堆運行時的高溫環(huán)境對材料提出了極高要求，而鎢基材料憑借其卓越的熔點、出色的熱性能、低氫溶解度及濺射產(chǎn)率，成為了面向等離子體組件（PFC），尤其是第一壁和偏濾器的理想選擇。
在聚變反應(yīng)堆，如托卡馬克裝置中，面向等離子體的材料需承受D-T聚變反應(yīng)釋放的高能中子、氫同位素（H、D、T）及氦（He）離子的強烈轟擊，這會導(dǎo)致材料表面及內(nèi)部遭受嚴重損傷。特別是，氦原子易與材料中的空位結(jié)合，形成氦氣泡，進而加劇空位的滯留，引發(fā)表面粗糙化，并對材料的力學(xué)性能（如硬化、脆化）產(chǎn)生負面影響。此外，氦注入形成的氦氣泡密度遠高于普通空隙，加速了材料的退化過程。因此，深入探究面向等離子體材料的輻射誘導(dǎo)缺陷形成與演化機制至關(guān)重要。
托卡馬克裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
為了更好地理解輻照條件下鎢材料的微觀結(jié)構(gòu)變化，研究團隊開發(fā)了團簇動力學(xué)模型。該模型綜合考慮了點缺陷、小型缺陷團簇、氦團簇的生成與相互作用，以及大尺寸不可移動缺陷（如間隙位錯環(huán)、空洞、氦氣泡）的成核與生長過程。通過引入原子尺度的位錯環(huán)穿刺機制，模型能夠精確模擬有無氦注入條件下輻射誘導(dǎo)缺陷的演化動態(tài)。
研究結(jié)果顯示：1）在低溫條件（低于300K）下，空隙和氣泡無法形成；而在高溫環(huán)境（高于1000K）且劑量超過3dpa時，間隙環(huán)趨于消失，這與實驗觀察結(jié)果相吻合。2）隨著溫度升高，間隙環(huán)的密度增加、尺寸減小，而空隙/氣泡則呈現(xiàn)相反趨勢。氦注入會促進空位型團簇的成核與生長，因為氦原子更傾向于與空位結(jié)合。3）考慮環(huán)沖壓效應(yīng)可略微加速氣泡生長，并對氣泡內(nèi)部壓力及氦空位比產(chǎn)生顯著影響。4）為匹配模擬與實驗測量之間的壓力和氦空位比，需考慮環(huán)路沖壓的內(nèi)部壓強制反饋機制，以有效調(diào)控氣泡的生長動力學(xué)。
該研究成果已以“A reduced cluster dynamics modeling of radiation damage in tungsten”為題發(fā)表在《Nuclear Materials and Energy》上。
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