辐照效应与纳米材料辐照损伤自修复机理方面取得新进展

　　近期，固体所刘长松研究员课题组在辐照效应模拟软件开发与纳米结构材料辐照损伤自修复机理研究方面取得新进展。课题组自主开发了两套纳米结构材料辐照效应模拟软件（“界面与合金元素调控钨辐照性能模拟软件”、“铁表面溶解腐蚀动力学蒙特卡洛模拟软件”（图1）。在此基础上，课题组与等离子体所和近物所科研人员合作，在纳米结构钨、铁基材料辐照损伤自修复机理研究方面取得系列进展，相关研究成果相继发表在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)) 杂志上，登记软件著作权两项。

图1. (a)-(f) “界面与合金元素调控钨辐照性能模拟软件”包含的钨表面和晶界附近缺陷基本作用过程,(g) “铁表面溶解腐蚀动力学蒙特卡洛模拟软件”包含的液态金属与铁表面作用基本过程。

　　钨在聚变堆服役过程中会通过嬗变产生诸如合金元素铼和锇等，这些合金元素和辐照缺陷与基体固有缺陷如表面和晶界发生复杂相互作用 (图1(a)-(f))，影响钨辐照损伤性能。鉴于此，课题组李祥艳等开发了“界面与合金元素调控钨辐照性能模拟软件”。该软件可模拟研究纯钨、钨合金和纳米钨合金中辐照缺陷复合、合金元素富集的竞争机理，考察钨辐照损伤性能与合金元素类型、浓度和晶粒尺寸的依赖关系等。针对辐照环境下结构材料铁表面溶解腐蚀问题 (图1(g))，开发了“铁表面溶解腐蚀动力学蒙特卡洛模拟软件”。该软件可研究辐照与腐蚀协同效应。

　　核聚变堆中钨与铁分别是候选的面向等离子体材料和结构材料。在聚变堆中，这些部件和材料须承受高能聚变中子辐照，产生辐照缺陷。辐照缺陷在基体中扩散、聚集、累积，引起材料性能降级、甚至失效。通过引入缺陷阱 (如晶界) 可与辐照缺陷相互作用，使辐照缺陷湮灭。目前有学者在铜纳米晶中提出“自间隙原子发射”诱导的复合能够有效降低纳米晶铜中缺陷累积。然而，该机理是否适用于一般的纳米结构材料尚不清楚。

　　为此，固体所科研人员利用自主开发的上述软件，模拟分析了纳米结构钨、铁中自间隙原子发射诱导的复合图像。研究发现，(1) 围绕自间隙原子形成空位-自间隙自发复合区域，伴随自间隙局域发射，复合区域向界面周围拓展或传播 (图2)。在该区域内空位-自间隙通过自发的间隙发射而复合。在此区域之外，空位或者自间隙需要克服较低的能垒复合，具体的原子过程涉及到空位扩散与间隙发射的耦合。(2) 进一步提出了“发射阻力”(势阱深度除以势阱半宽度) 表征间隙原子从缺陷阱处发射的难易程度 (图3)，论证了间隙发射诱导的复合机理的普适性。

　　该研究工作得到国家磁约束聚变项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。

图2. 自间隙原子的局域运动诱导的复合区域的拓展或传播。

图3. 自间隙原子从缺陷阱处发射诱导的两种复合图像。(a)和(b)：自间隙原子从一个方势阱发射出来，克服能垒是自间隙原子与缺陷阱的结合能。(c)和(d)：自间隙原子从一个三角势阱发射出来，三角势阱的斜率是自间隙从缺陷阱向外迁移单位长度所克服的能垒。