反应堆合金材料腐蚀的分子动力学模拟研究进展

反应堆合金材料的腐蚀问题直接关系到反应堆的服役安全与寿命,一直以来都受到极大关注与广泛研究。但是仅依靠实验不足以明确其腐蚀机理,也难以高精度地预测其腐蚀行为。随着计算材料学的发展,模拟计算已经成为反应堆合金材料腐蚀研究的新手段。分子动力学方法可处理数万到数十万原子数量的尺度,适用于模拟多种材料的各种表面、界面行为,因此,近些年在反应堆合金材料腐蚀机理研究领域有了一定应用。本文首先回顾了分子动力学模拟方法,包括经典分子动力学方法、半经验分子动力学方法以及基于机器学习的分子动力学模拟。然后综述了反应堆合金材料腐蚀的分子动力学模拟研究方面的进展情况:一是适用于腐蚀模拟计算的分子动力学方法及势函数,主要包括反应力场、紧束缚量子化学力场和机器学习力场等;二是使用分子动力学方法研究水冷堆、液态金属冷却堆以及其他环境下反应堆合金材料的腐蚀研究现状介绍,包括晶界元素偏析、固液界面吸附和应力腐蚀开裂等腐蚀行为。

反应堆合金材料腐蚀的密度泛函理论计算研究现状

经过几十年的研究,对现有反应堆合金材料服役工况下的腐蚀问题及规律已经有了较为清晰的认识,但是依然存在一些待解决的问题,如对反应堆合金材料腐蚀中本质过程的理解,单一因素在腐蚀过程中所起的作用,新材料以及极端环境下的腐蚀行为预测等。基于量子力学的密度泛函理论(Density Functional Theory,DFT)计算可以精确地预测极短时间内原子的运动过程以及相关能量的变化,近年来逐渐成为反应堆合金材料腐蚀过程研究的重要辅助手段,这将有助于解决上述问题。本文首先介绍了DFT方法,主要包括理论基础、发展过程与主流计算软件。然后对DFT理论在反应堆合金材料腐蚀领域应用的研究现状进行了综合论述和分析,包括水冷堆、液态金属冷却堆、熔盐堆介质环境中反应堆合金材料表面的吸附、解离、结合、内部扩散等腐蚀行为。最后展望了DFT应用在反应堆合金材料腐蚀方面的未来发展趋势。