高熵合金辐照性能的计算机模拟进展

核电在现有能源体系中扮演着十分重要的角色,是当今世界急需的清洁能源中的重要组成部分。在核电系统中,核能结构材料是保证其可靠性和安全性最重要的因素之一。在未来的第四代裂变和聚变反应堆中,核心结构材料需处在高温、强化学腐蚀以及强中子辐照等恶劣环境中。这样极端恶劣的应用环境对新一代反应堆的结构材料提出了十分苛刻的要求。由核裂变或核聚变产生的高能中子会引起材料中显著的原子位移并产生点缺陷或缺陷团簇,从而使材料性能发生退化,因此深入研究材料在辐照条件下的损伤机制对开发新型抗辐照结构材料及先进反应堆的实施至关重要。近年来,一类新型的合金材料——高熵合金在抗辐照、耐腐蚀方面展现出一定的潜力,成为新一代反应堆结构材料的重要候选材料之一。在研究其辐照损伤机制时,由于物理实验常常受设备、成本等的限制,计算模拟成为理解其抗辐照机理的一种重要手段。当前,高熵合金的辐照性能模拟还存在诸多问题。其中,由于元素随机排布导致的无序状态是重要的限制因素之一,对计算模拟方法提出了很大的挑战。例如,由于元素的随机排列,各组成元素的化学势定义比较困难,导致高熵合金中缺陷能量的计算可能出现不同的结果。另外,由于组成元素较多,高熵合金体系的经验作用势较难获得,导致分子动力学模拟等手段难以开展;而不依赖原子间作用势的第一性原理计算模拟方法则受计算能力的限制,只能模拟较小的原子体系,对缺陷团簇性质和缺陷长时间的扩散研究基本无能为力。这些限制因素是高熵合金辐照性能模拟的难点。尽管如此,近年来,学者们在高熵合金的辐照性能模拟研究上也取得了较大的进步。例如,对化学无序状态的分析,很好地解释了高熵合金中抗辐照性能与其结构之间的关联;通过分析初始移位损伤及其移位阈能的变化,很好地揭示了其辐照条件下的缺陷产生机制;在分析缺陷的形成能和迁移能变化中,发现了缺陷的缓慢扩散特性以及缺陷的优先扩散效应;还对缺陷复合以及缺陷之间的相互作用进行了研究,展现了不同类型缺陷间的复合以及相互作用机制。本文主要综述了近几年关于高熵合金辐照性能的计算机模拟的相关研究。首先,对高熵合金的基本性质,及其辐照损伤研究和计算模拟方法进行了介绍,然后对辐照条件下高熵合金中缺陷产生的机制、缺陷能量特性、缺陷扩散现象、缺陷之间的复合以及不同缺陷之间的相互作用等五个方面进行了讨论。最后,对当前面临的挑战和未来可能的发展方向提出了一些看法。

轻、重离子辐照烧绿石Lu_2Ti_2O_7导致的非晶结构变化

采用标准固相反应烧结法制备烧绿石结构的Lu_2Ti_2O_7.在室温下,用800keV Kr^(2+)和200keV He^+进行辐照.辐照后的样品采用掠入式X射线衍射(GIXRD)表征.结果表明:用800keV Kr^(2+)辐照样品时,辐照剂量达到2×10^(14)cm^(-2)(相应dpa(displacement per atom)为0.4)时,样品出现非晶化转变,并且随着辐照剂量的增加,非晶化转变量不断增加,增加至一定值后不再变化,未出现完全的非晶化转变;用200keV He^+进行辐照时,即使辐照剂量增加至2×10^(17)cm^(-2)(dpa为1.25),样品也没有出现非晶化转变.通过分子动力学模拟对结果进行分析后发现:重离子辐照时,样品在较小范围内产生较多的缺陷,且电子能损较低,样品温度增幅较小,缺陷复合率低,易导致非晶化转变;而轻离子辐照时结果相反.

Lu2Ti2O7和Lu2TiO5陶瓷材料的Kr离子辐照损伤研究

钛酸盐因其优异的物理化学性能,可作为高放射性核废物(HLW)和锕系元素(钚)的重要候选固化材料之一。采用传统的陶瓷烧结工艺制备了多晶的Lu2Ti2O7和Lu2TiO5陶瓷材料。在室温下,用800 keVKr^2+对两种材料进行辐照,辐照后的样品采用GIXRD进行表征,观察到两种样品都经历了先肿胀、然后再发生非晶相变的过程。不同的是Lu2Ti2O7的晶格肿胀程度大于Lu2TiO5。另外,Lu2TiO5样品的辐照到2×10^14 ions/cm^2时非晶含量达95.54%,而Lu2Ti2O7样品在此剂量下非晶含量只有74.66%。通过第一性原理计算了Lu2Ti2O7晶体的晶格肿胀随反位浓度的变化关系,结果表明,Lu2Ti2O7出现非晶前的晶格肿胀主要由阳离子反位导致,而Lu2TiO5是无序的萤石结构,其辐照所导致的晶格肿胀不含阳离子反位的贡献,晶格肿胀程度较低。

Kr2+辐照导致的Ca8LnNa（PO4）6F2（Ln=La,Nd和Sm）磷灰石结构陶瓷材料的非晶转变

采用传统固相烧结法成功制备出磷灰石结构材料Ca8LnNa(PO4)6F2(Ln=La,Nd和Sm),并通过常规X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)进行表征确定三种样品都为单一相。在室温条件下用800 keVKr^2+对三种样品进行辐照实验,辐照后的样品利用掠入射X射线衍射(grazing incidence X-ray diffraction,GIXRD)进行表征获取其表面辐照损伤层的结构信息。发现在实验辐照剂量范围内(1.0×10^14~7.0×10^14cm^-2)三种样品都发生了从晶体结构到非晶结构的转变,不过三种样品的抗辐照非晶性能却有差异,抗辐照非晶能力大小关系是Ca8LaNa(PO4)6F2 > Ca8NdNa(PO4)6F2 > Ca8SmNa(PO4)6F2。这是由于在Ca8LnNa(PO4)6F2中,当镧系核素半径越小时,将有更大概率占据Ca(2)位置与F形成比Ca-F更弱的离子键。因此,镧系核素半径越小,辐照下将有更多的点缺陷保留下来,更容易发生非晶相变。