面向等離子體材料鎢輻照缺陷演化計算模擬研究獲進展

　　近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所內耗與固體缺陷實驗室科研人員與等離子體物理研究所和近代物理研究所科研人員合作，在面向等離子體材料鎢輻照缺陷演化計算模擬研究方面取得新進展，相關科研成果發表在《材料學報》上（Acta Materialia 2014,66, 172-183）。

　　 鎢以其高熔點、低濺射、不與氫發生化學反應及氫滯留極低等特性被視為最有前景的面向等離子體候選材料。然而，鎢存在室溫脆性、再結晶脆性、輻照脆化以及高溫時強度低等不足，限制了其在聚變堆中的應用。合金化被認為是提高鎢基材料性能的一種重要途徑。在其服役過程中，鎢及其合金將會遭受高能中子輻照，在材料內部產生大量缺陷，如空位、自間隙等。合金元素將與輻照缺陷相互作用，一方面改變材料中合金元素的擴散性質和聚集形態，另一方面改變輻照缺陷的本征演化規律，進而改變材料的性能。此外，中子輻照會引入大量的嬗變元素以及加工過程也不可避免在材料中遺留下一些雜質，這些嬗變元素和雜質與輻照缺陷相互作用也會對材料的性能產生影響。因此，溶質元素與輻照缺陷間相互作用的研究顯得尤為重要。

　　科研人員采用第一性原理方法研究了鎢中過渡金屬溶質原子與點缺陷的相互作用，初步建立了過渡金屬原子與點缺陷相互作用數據庫（圖1），主要包括多種缺陷簇的穩態亞穩態缺陷構型及其能量學基本參數（形成能、結合能、作用半徑等）和動力學基本參數（擴散機制、擴散激活能以及擴散系數等），該數據可以作為更高時間和空間尺度計算模擬的輸入參數（如蒙特卡洛，速率理論等）。基于相關數據進一步考察溶質與點缺陷相互作用的物理控制因素，發現電子相互作用在溶質原子與空位相互作用中起主導因素，而彈性相互作用控制著溶質原子與自間隙間的相互作用，并總結出溶質與點缺陷相互作用的規律，即具有較大電負性的溶質原子傾向于空位結合，具有較小金屬半徑的溶質原子傾向于與自間隙結合（圖2）。該規律在鋁基和鎂基合金中依然適用。基于溶質原子與空位和自間隙缺陷間的結合能，可推測過渡金屬溶質原子能夠顯著縮小材料中空位和自間隙擴散速率間的差異，促進輻照誘導點缺陷的復合，提高材料的抗輻照性能，該推測解釋了近期部分實驗現象。最后根據計算模擬數據并結合近期實驗結果，討論了目前比較典型的合金元素Re、Os、Ta、Ti、V對輻照損傷和氫滯留的影響，對比分析表明，相比于Re，Os，Ti和V等元素，Ta更適合作為鎢的合金元素，這為高性能鎢合金的設計提供了新思路。

　　上述研究工作得到科技部國際熱核實驗堆（ITER）計劃專項、國家自然科學基金委和中國科學院的支持。