基于级联碰撞缺陷数据库的源项对辐照微结构演化影响团簇动力学模拟研究

团簇动力学(CD)方法是模拟核材料在高能粒子辐照下微观结构演化的重要方法之一,源项是团簇动力学方法的关键输入。经典CD方法中源项通常采用经验拟合得到,未能充分利用原子尺度获得的初始缺陷信息。随着分子动力学等方法的发展,级联碰撞缺陷数据库大为丰富,结合初级离位原子(PKA)能谱足以得到更为合理的源项。由于级联碰撞缺陷数据库的能量值数量相对于准连续PKA能谱仍然偏少,本文提出了5种从准连续PKA能谱得到级联能量分立值的抽样算法,并基于团簇动力学方法模拟低剂量中子辐照纯钨实验对算法进行了验证和比较。

非均匀形核对辐照诱导钨内微结构演化行为影响的团簇动力学模拟

金属钨(W)及其合金作为未来聚变堆最具应用前景的面向等离子体结构材料(PFMs),其服役性能直接影响聚变堆长期服役的安全性,辐照诱导W及其合金内微结构演化导致的辐照脆化现象始终是限制其工程应用的关键因素。本文基于分子动力学计算结果,进一步完善了辐照诱导材料微结构演化行为的团簇动力学模型,采用更加完备的物理模型描述材料内辐照缺陷的产生行为,并进一步探讨了W基体内辐照缺陷产生过程对微结构演化行为的影响。模拟结果表明,高能初始离位原子(PKA)诱发级联碰撞直接产生的缺陷团簇是W内位错环、空洞演化中最重要的形核机制;非均匀形核所产生的间隙团簇的扩散行为对位错环的长大行为有重要影响,会导致位错环尺寸分布中出现亚尖峰与台阶状形貌。

电子辐照高纯铁电阻率回复的团簇动力学模拟

电阻率回复实验是研究材料辐照损伤机理的有效手段,可表征材料中辐照缺陷数量的变化。本文基于平均场速率理论开发了模拟辐照缺陷演化的团簇动力学程序,模拟了高纯铁经3MeV电子辐照至2.0×10-6 dpa后等时时效过程的缺陷演化过程,并与电阻率回复实验结果进行了对比。模拟结果表明,辐照缺陷数量随温度升高的演化过程与电阻率的变化趋势吻合得很好,电阻率回复的峰值分别对应于间隙原子、间隙原子团簇、空位团簇等缺陷的数量变化。该方法对于研究材料辐照损伤机理具有重要意义。

氦在铝表面辐照和积聚的团簇动力学模拟

我们利用团簇动力学模型(IRadMat)研究了keV-He离子辐照金属铝的缺陷动力学和氦的聚集行为.通过对不同俘获类型(团簇、晶界和位错)俘获He浓度的定量分析,我们发现大多数He原子被晶界吸收,这成为铝在低辐照通量下发生脆化的主要原因.随着辐照能量的增加,He滞留峰的位置会变得更深.然而,随着辐照通量的增加,He在体内的滞留量会变得更多,但滞留深度的峰值位置不变.我们的结果表明,晶界的影响在He的滞留分布以及铝的脆化行为中起着关键作用,这也有助于我们理解He在金属中的动力学行为和损伤的分布.

核材料辐照损伤的并行空间分辨随机团簇动力学模拟

核反应堆中关键材料的辐照损伤演化对其性能有重要影响,且跨越多个量级的时空尺度。空间分辨随机团簇动力学是近年来发展的1种模拟核材料辐照损伤行为的有效方法,它避免了传统团簇动力学在缺陷种类和计算复杂性方面的限制,且能考虑缺陷的空间依赖性。在概述了空间分辨随机团簇动力学基本原理的基础上,论述了自主开发的大规模并行空间分辨随机团簇动力学程序MISA-SCD1.0的实现方式与关键技术,并将其应用于反应堆压力容器模型合金中富Cu团簇的析出模拟,验证了程序的正确性并测试了并行性能。结果表明,MISA-SCD1.0能获得与实验结果和类似模拟结果吻合的Cu析出过程,且具有较高的并行效率和良好的扩展性。

核材料中子辐照损伤的团簇动力学模拟综述

核材料中子辐照损伤是影响核能装置安全性和稳定性的关键问题之一。由于难以开展大量的中子辐照实验来评估核材料的损伤机理,因此相关理论模拟至关重要。介观尺度团簇动力学(CD)模型由于不受时间和空间尺度的限制,是一种研究材料中子辐照损伤长时间演化的有效方法。本文综述了CD的模型、数值算法和最新进展,重点介绍了CD在典型核材料的中子辐照问题中的系列应用,并对CD的未来发展进行了展望。

计及级联内缺陷空间关联的团簇动力学模拟

团簇动力学(CD)是一种快速模拟材料辐照损伤长时间动力学演化方法.基于平均场速率理论的CD不考虑级联内的缺陷空间关联效应.而实体动力学蒙特卡罗(OKMC)模型虽然考虑空间关联效应,但受到时间尺度和辐照剂量的限制.将模拟粒子初级辐照级联缺陷分布的Monte Carlo模型(IM3D)与OKMC基于常数时间退火方法进行耦合,有效计及级联内的缺陷空间关联性,作为CD模型的有效辐照产生项,建立计及空间关联效应的团簇动力学模型(CD-SC).结果表明:CD-SC模拟的辐照损伤结果与长时间OKMC结果吻合.有助于提高典型辐照条件下核材料长时间辐照损伤的多尺度模型的准确度和效率.

基于团簇动力学的低铜RPV用钢辐照产生析出相数值模拟研究

反应堆压力容器(RPV)用钢在辐照后产生的基体损伤、溶质原子析出相等辐照缺陷,是造成其辐照脆化的主要原因。基于反应速率理论建立了考虑多种析出相形核机理的团簇动力学模型,模拟了低铜RPV用钢中Mn-Ni-Si析出相等辐照缺陷的产生及其尺寸、数密度随损伤剂量的变化。与实验数据的对比分析表明,同时考虑间隙原子型位错环主导和空位团簇主导这两种析出相形核机理的团簇动力学模型可以更好地模拟材料的辐照损伤行为。在此基础上辐照参数的敏感性分析表明,中子注量率对析出相的影响与注量有关,注量率越大,在低注量时产生的析出相越少,而在高注量时相对越多;此外,辐照温度越低越易产生析出相。

一种新分组团簇动力学模型模拟铝合金中的Al_(3)Sc析出

先详细介绍了未分组团簇动力学模型和已有的分组法,然后引入一种基于组内团簇密度对数线性分布的新方法。通过比较未分组和不同分组法的团簇动力学模型模拟300℃时Al-0.18%Sc(原子分数)合金中Al_(3)Sc的析出动力学的数值解,证实新的分组法能在保持良好整体和局部精度的前提下显著节约计算成本。新分组法的计算结果与等温析出实验测量的析出平均半径和尺寸分布结果能够比较合理地吻合,预期它在大尺度析出模拟时前景良好。

一个新的分数阶动力学模型团簇:分数阶Emden-Fowler模型团簇

发现而且构造了一个新的分数阶动力学模型团簇,即分数阶Emden-Fowler动力学模型团簇.首先,介绍了分数阶广义Hamilton方法.然后,利用分数阶广义Hamilton方法,构造了一个新的分数阶动力学模型,即分数阶Emden-Fowler动力学模型.进一步,利用分数阶和非线性问题不确定性的分数阶广义Hamilton表示,发现并构造了分数阶Emden-Fowler动力学模型团簇.最后,对于分数阶Emden-Fowler动力学模型及其团簇的后续研究,给出讨论与总结.

分数阶动力学的分析力学方法及其应用

综述我们在分数阶动力学分析力学方法的研究进展,包括:分数阶动力学系统的分析力学表示,构造分数阶动力学模型的分析力学方法,构造分数阶动力学模型团簇的分析力学方法,三类分数阶Lie群无限小变换方法,分数阶动力学系统的对称性、对称性摄动和共形不变性的分析力学方法,分数阶动力学系统的代数结构与Poisson积分的分析力学方法,构造分数阶动力学系统积分不变量的分析力学方法,分数阶动力学系统梯度表示的分析力学方法,分数阶动力学系统稳定性的分析力学方法,分数阶微分方程的分析力学方法等,介绍了对于物理学、力学、生物学、非线性科学等领域的10多种分数阶动力学模型的应用,并指出了若干进一步研究的问题.

反应堆压力容器材料中Ni界面偏析对富Cu溶质团簇演化影响的模拟研究

目的定量研究镍原子的界面偏析对降低团簇与基体间表面能及促进团簇形核、提升团簇数密度的贡献,以深化对反应堆压力容器溶质团簇演化过程和辐照脆化中溶质团簇机理的认识。方法通过考虑Fe-Cu-Ni三元合金溶质团簇中镍原子的界面偏析,利用团簇动力学方法研究了团簇中镍原子分布对富铜溶质团簇演化的影响。结果相比铜团簇,加入镍原子后的铜镍团簇自由能显著降低,团簇数密度显著提高;随团簇中镍原子界面偏析加剧,团簇自由能与团簇尺寸逐渐下降,团簇数密度先小幅上升,后下降。结论镍可以促进富铜溶质团簇的形核,提升团簇的数密度,而其中镍原子的界面偏析对促进团簇形核的贡献可能有限;在团簇生长过程中,镍原子的界面偏析可能会抑制其生长,减小团簇的尺寸。

中子辐照诱导钨再结晶的模拟研究

钨作为未来聚变堆偏滤器靶板的候选材料,需要长期服役在高温且受到高能中子辐照的严峻环境,这将导致钨发生中子辐照诱导再结晶,从而提高钨发生沿晶脆断的可能性,威胁偏滤器的运行安全,因此研究中子辐照诱导钨再结晶的物理机制具有重要意义.然而,与最近高通量同位素反应(HFIR)堆高温下中子辐照实验观察到的结果相比,目前考虑辐照增强再结晶驱动力效应的模型低估了中子辐照对再结晶的影响,结果表明仍有其他效应影响再结晶过程.基于此,本文在假设晶界迁移率与自体扩散系数成正比的前提下,引入辐照增强晶界迁移因子(R),建立了新的辐照诱导再结晶动力学模型.模拟结果显示,在综合考虑辐照增强再结晶驱动力和晶界迁移效应后,模型计算出的850℃下达到一半再结晶分数所需要的时间(t_(x=0.5))和HFIR堆中子辐照实验结果相符,这表明辐照增强晶界迁移效应是影响辐照诱导再结晶现象的重要因素之一.另外,模型研究了不同辐照温度下钨的t_(x=0.5).结果表明辐照与未辐照的t_(x=0.5)差别随温度升高而逐渐下降.这是因为随着温度的升高,辐照缺陷复合加剧,辐照缺陷对再结晶驱动力的贡献下降,且热激活扩散系数增大的幅度大于辐照下扩散系数的增大幅度,所以热激活效应会逐渐主导再结晶过程.

Ga液滴沉积速率对GaAs/GaAs(001)量子双环形貌的影响

采用液滴外延法在GaAs(001)衬底上制备同心量子双环(concentric quantum double rings,CQDRs),利用原子力显微镜表征其表面形貌,并研究Ga液滴沉积速率对CQDRs的影响.研究结果发现,随着Ga液滴沉积速率的增加,CQDRs的密度增加,内外环半径均降低.根据成核理论中最大团簇密度和Ga液滴沉积速率之间的关系拟合出临界成核原子数目为5,表明在Ga液滴形成阶段时稳定的Ga原子晶核至少包含5个Ga原子;根据成核理论和拟合结果绘制成核过程状态转化图以深入理解Ga液滴形成过程.相关研究结果对液滴外延法制备密度可控的GaAs同心量子双环具有一定的指导意义.

分子束外延生长过程中GaAs(001)表面铝液滴的扩散成核过程

量子点的性质主要由其密度及尺寸参数控制,而原子在衬底上的成核运动又决定了量子点的密度、直径、高度等参数,因此研究原子的扩散成核过程对自组装制备量子点具有重要意义。本文通过分子束外延生长技术研究了GaAs(001)表面金属铝液滴的成核过程,发现衬底温度和金属铝沉积速率的变化直接影响了液滴的尺寸、密度以及形状等特征。根据经典成核理论分析GaAs(001)表面金属铝液滴空间分布与几何结构的演化规律,推导得出表面金属铝液滴密度与衬底温度、金属铝沉积速率的关系方程。在此基础上,进一步计算得出液滴形成过程中未成核态、临界成核态、成核态三种亚稳态所包含的最小原子数分别为1个、2个、5个。