輻照效應與納米材料輻照損傷自修復機理方面取得新進展

　　近期，固體所劉長松研究員課題組在輻照效應模擬軟件開發與納米結構材料輻照損傷自修復機理研究方面取得新進展。課題組自主開發了兩套納米結構材料輻照效應模擬軟件（“界面與合金元素調控鎢輻照性能模擬軟件”、“鐵表面溶解腐蝕動力學蒙特卡洛模擬軟件”（圖1）。在此基礎上，課題組與等離子體所和近物所科研人員合作，在納米結構鎢、鐵基材料輻照損傷自修復機理研究方面取得系列進展，相關研究成果相繼發表在Journal of Nuclear Materials (J. Nucl. Mater. 500, 199-212 (2018)； J. Nucl. Mater. 498, 362-372 (2018))和Nuclear Inst. and Methods in Physics Research B (Nucl. Instrum. Methods B 414, 29-37 (2018)) 雜志上，登記軟件著作權兩項。

圖1. (a)-(f) “界面與合金元素調控鎢輻照性能模擬軟件”包含的鎢表面和晶界附近缺陷基本作用過程,(g) “鐵表面溶解腐蝕動力學蒙特卡洛模擬軟件”包含的液態金屬與鐵表面作用基本過程。

　　鎢在聚變堆服役過程中會通過嬗變產生諸如合金元素錸和鋨等，這些合金元素和輻照缺陷與基體固有缺陷如表面和晶界發生復雜相互作用 (圖1(a)-(f))，影響鎢輻照損傷性能。鑒于此，課題組李祥艷等開發了“界面與合金元素調控鎢輻照性能模擬軟件”。該軟件可模擬研究純鎢、鎢合金和納米鎢合金中輻照缺陷復合、合金元素富集的競爭機理，考察鎢輻照損傷性能與合金元素類型、濃度和晶粒尺寸的依賴關系等。針對輻照環境下結構材料鐵表面溶解腐蝕問題 (圖1(g))，開發了“鐵表面溶解腐蝕動力學蒙特卡洛模擬軟件”。該軟件可研究輻照與腐蝕協同效應。

　　核聚變堆中鎢與鐵分別是候選的面向等離子體材料和結構材料。在聚變堆中，這些部件和材料須承受高能聚變中子輻照，產生輻照缺陷。輻照缺陷在基體中擴散、聚集、累積，引起材料性能降級、甚至失效。通過引入缺陷阱 (如晶界) 可與輻照缺陷相互作用，使輻照缺陷湮滅。目前有學者在銅納米晶中提出“自間隙原子發射”誘導的復合能夠有效降低納米晶銅中缺陷累積。然而，該機理是否適用于一般的納米結構材料尚不清楚。

　　為此，固體所科研人員利用自主開發的上述軟件，模擬分析了納米結構鎢、鐵中自間隙原子發射誘導的復合圖像。研究發現，(1) 圍繞自間隙原子形成空位-自間隙自發復合區域，伴隨自間隙局域發射，復合區域向界面周圍拓展或傳播 (圖2)。在該區域內空位-自間隙通過自發的間隙發射而復合。在此區域之外，空位或者自間隙需要克服較低的能壘復合，具體的原子過程涉及到空位擴散與間隙發射的耦合。(2) 進一步提出了“發射阻力”(勢阱深度除以勢阱半寬度) 表征間隙原子從缺陷阱處發射的難易程度 (圖3)，論證了間隙發射誘導的復合機理的普適性。

　　該研究工作得到國家磁約束聚變項目、國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的資助。

圖2. 自間隙原子的局域運動誘導的復合區域的拓展或傳播。

圖3. 自間隙原子從缺陷阱處發射誘導的兩種復合圖像。(a)和(b)：自間隙原子從一個方勢阱發射出來，克服能壘是自間隙原子與缺陷阱的結合能。(c)和(d)：自間隙原子從一個三角勢阱發射出來，三角勢阱的斜率是自間隙從缺陷阱向外遷移單位長度所克服的能壘。