● 摘要
钨（W）材料是目前聚变堆中最有前途的面对等离子体材料，它在服役时会承受高能粒子流以及热流的辐照。而晶界被证实在W材料的辐照效应，诸如氢氦（H/He）导致的起泡，H/He滞留量的增加，W材料表面的改性等一系列过程中都起着十分重要的作用。特别的，由于晶界具有吸收点缺陷的特性，因此利用晶界来吸收和消除材料内部由于辐照而产生的缺陷也成为增强材料抗辐照性能的一个重要手段。最近有研究者提出了一个新的晶界自修复机制，其原理是利用聚变堆中的高热流导致的残余应力，使晶界在材料内进行迁移，并利用该晶界的迁移去主动消除由中子辐照产生的自间隙原子和空位。为了深入理解并探索该机制在聚变堆环境下的可行性，作者利用分子动力学模拟的方法，研究了晶界在有H/He粒子存在的情况下的迁移过程。模拟所采用的晶界模型为基于重位点阵理论构建的Ʃ5(310)[001]的双晶模型。
作者首先研究了晶界在切应力作用下的耦合运动过程以及晶界迁移所需的临界应力与温度，剪切速率之间的关系。模拟结果显示W中Ʃ5(310)[001]晶界的耦合运动模式与其他研究者所提出的断裂-粘合机制相符，均为晶界处原子的集体运动所致，但晶界迁移时存在沿着倾转轴方向特殊的原子层换位现象。通过采用并比较两种不同的势函数构建的晶界模型在10 K到2000 K的温度区间内的表现，作者发现驱动晶界迁移的临界应力值与温度之间呈现指数形式的下降关系。临界应力的值在较低的应变速率下基本保持不变，但在更高的速率下，晶界的运动模式会发生改变。对H/He与静止晶界之间相互作用的研究显示H/He极易被晶界捕获，而H/He在晶界面上的扩散则要比体内困难。在600 K到1200 K温度区间下的动力学模拟显示H/He在晶界区域的扩散和偏析行为不同，H的扩散与偏析受温度的影响较大而He则几乎不受影响。同时对晶界区域原子结构的分析证实了晶界的结构在高浓度的H以及相对较低的He存在的情况下会变成无序的状态。通过研究单个H/He原子对晶界迁移的影响，作者发现H/He原子都会妨碍晶界上W原子的形变从而增加晶界迁移的阻力。驱动晶界迁移的临界应力随着H/He浓度的升高而上升，随着温度的上升而下降。在晶界迁移的过程中，H/He会导致大量W自间隙原子的产生，引起晶界结构的无序化，而结构无序化的产生则严重的阻碍了晶界的迁移过程。
提高材料的抗辐照性能一直是核材料领域所关注的重点，而本论文基于聚变环境下材料中可能存在的晶界迁移自修复机制，对H/He元素对W晶界的迁移行为的影响做了较为全面的调查和研究，给出了这两种元素对晶界迁移阻碍作用的机制，并调查了在不同的聚变堆的工作条件下晶界的迁移行为，从而得到了驱使晶界迁移所需要的应力与温度，应变速率以及不同杂质浓度之间的关系，为聚变堆中子辐照环境下W材料的自修复机理研究提供有价值的参考。