氦在镍中的聚团行为及缺陷产生的原子水平研究

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1、摘要在核技术和核工业领域中，氦的产生和聚集对于聚变、裂变堆壁金属材料造成的损伤一直是困扰核材料使用安全的重大问题。氦对材料的影响主要体现在氦的聚合、氦泡形成，-材料肿胀，从而破坏材料的力学性能。因此很有必要对氦在金属体内迁移、扩散、聚集以及与各类缺陷的相互作用进行深入地研究，进而可探讨这些微观演化与材料力学行为间的密切关系。目前，通过理论和实验的手段人们从各种层次进行了研究。其中利用计算机模拟方法(包括第一原理计算、分子动力学和蒙特卡洛方法)可以较好的得到氦原子在材料体内的聚集行为。然而相关的研究与实际情况仍有很大的差距，其物

2、理过程有待进一步的深入探讨。此外，温度对氦原子在材料体内的扩散、聚集和溶解具有重要的影响，是模拟计算中需要考虑的因素，而相关的研究还比较少。本工作利用分子动力学方法模拟了氦团簇在fcc镍金属体内形成过程及其稳定构型。在此基础上计算了单个氦原予与团簇间结合能随团簇内氦原子数变化的函数关系，进而研究了温度对氦原子成团的影响。结果表明在氦原子成团过程中存在着氦原子解离与基体Ni原子离位而产生自间隙原子的竞争过程，这源于氦一氦的相互作用与镍～氦相互作用的竞争。当氦团簇中氦原子个数达到某一临界值时，基体原子被挤出而产生自间隙原子。氦和团

3、簇之间的绐合能也随着自间隙原子个数升高而增加，氦团簇因此会长大。随着温度的升高，伴随着更多的自间隙原子产生，氦团簇体积发生膨胀。研究表明自间隙原子产生对氦原子成团具有关键作用。这有助于了解和掌握He泡早期的形核过程，从而在原子尺度理解He泡演化与其宏观性能间的联系。关键词：氦镍缺陷分子动力学模拟AbstractInthefieldofnucleartechnologyandnuclearindustry，theaccumulatiOilofheliumatomsinmetalS，whichactasthestructuralm

4、aterialSoffissionorfusionfirstwall，iSalwaysamenaceforthesafelyusingofnucleardevices．TheaggregationofHe，thusformingHebubble，usuallydegradesthemechanicalpropertiesofmetalsandcurtallsfatigue1ifetimeofmaterials．So，itiSverynecessarytostudythediffusionandaggregationofHeat

5、omsinmatrix，andtheinteractionsbetweentheHeatomsanda11kindsofdefects．ThiSwillbefurtherinsightintotherelationshipbetweenthemicrostructureevolutionofHeatomsandmechanicalpropertiesofmaterials．Atpresent，alotoftheoreticalandexperimentalworkshavebeendoneinthiSarea．Amongthe

6、m，computersimulations(forexampleabinitiocalculation，moleculardynamicsandMonteCarlo)havedescribedthebehaviorofHeaggregationverywellindifferentscale．However，therearestillmanyquestionsunsolved．Moreover，temperatureisaveryimportantfactor．ButfewtheoreticalworksiSinvolvedi

7、nthestudyofitseffectOilthebehaviorofHeatomsinmaterialS．Inthiswork，thestabilityofsmallHe—vacancyclusterwasstudiedusingmoleculardynamics(MD)methodundertheconditionofthehighHeandlowvacancydensity．IfIoreover，theformationofHe—Vacancyclusteratelevatedtemperaturewascarried

8、outandtheeffectoftemperatureonthecreationofdefectswasstudied．WefoundthatthereisacompetitiveprocessbetweenHedetrappingandselfinterstitialat