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介尺度模拟
面向等离子体材料钨中氢滞留行为理论模拟研究获进展
 最后更新: 2016-09-26  作者: 佚名  浏览: 840次

  近期,彩票注册 合肥物质科学彩票注册 固体物理彩票注册 内耗与固体缺陷彩票注册 研究员刘长松课题组通过与等离子体物理彩票注册 和中科院金属彩票注册 科研人员合作,在面向等离子体材料钨中氢滞留行为理论模拟研究方面取得新进展。相关研究结果发表在《核聚变》上(Nuclear Fusion 56 (2016) 026004Nuclear Fusion 56 (2016) 106002)。

  低氢滞留是面向等离子体材料(PFM)的必要条件。钨因具有低氢滞留及低物理溅射率、高熔点等优点而成为最有前景的PFM。苛刻的聚变环境(如14MeV中子辐照、高通量氦和氢同位素等离子体轰击、稳态和瞬态高热负荷、以及由此引入的各种化合物灰尘和嬗变元素、热负荷缓冲剂等杂质)会使氢滞留量显著升高。因此,认识和理解聚变环境下钨中氢滞留行为,并寻找有效抑制氢滞留的方法对实现可控热核聚变具有重要意义。

  科研人员采用准连续多尺度方法(第一性原理计算结合热力学模型分析)研究了钨中聚变引入杂质(嬗变元素、热负荷缓冲剂)对氢滞留的影响。利用第一性原理建立了杂质与氢相互作用数据库(图1,2),包括多种杂质-氢缺陷簇的稳态亚稳态缺陷构型及其能量学基本参数(形成能、结合能、作用半径等),该数据为更高时间和空间尺度计算模拟(如蒙特卡洛、速率理论等)提供了基础。基于上述第一性原理数据,利用热力学模型分析了Re、Os、Ta、Hf等杂质对氢的溶解和扩散行为的影响。研究发现杂质元素一方面可作为氢的滞留点,降低氢扩散系数,增大氢滞留量,另一方面能缩小空位和自间隙扩散系数差,提高辐照缺陷复合效率,降低辐照缺陷密度,进而减小氢滞留量,定性解释了近期钨合金中氢滞留实验结果(Nucl. Fusion 53(2013)123021; 53(2013)013013; 54(2014)123013)。热缓冲剂杂质Ne和Ar倾向于沿(110)面形成稳定的二维平板结构(图2)。其物理机理是间隙团簇引起局域晶格膨胀,形成沿(110)面扩展的低电荷密度区。随聚集原子个数的增大,间隙杂质团簇倾向于激发自间隙,突变成更加稳定的空位-杂质气体团簇。

  上述研究工作得到了国家磁约束核聚变能发展研究专项、国家自然科学基金委和中科院的支持。

 

1.溶质与间隙氢相互作用(a)最优占据位置。其中ΔE表示氢在四面体和八面体间隙位置处的能量差,θW-H-Sub为钨、氢和溶质原子的夹角,dSub-H为溶质和氢间距离。(b)溶质与氢结合能

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