一种基于MD级联构型分析的钨辐照缺陷产生方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于MD级联构型分析的钨辐照缺陷产生方法及系统包括：对PKA能谱采用随机抽样方法得到单个PKA能量E

【技术实现步骤摘要】
一种基于MD级联构型分析的钨辐照缺陷产生方法及系统


[0001]本专利技术涉及材料辐照损伤多尺度模拟领域，具体涉及一种基于MD级联构型分析的钨辐照缺陷产生方法及系统。

技术介绍

[0002]核聚变装置面向等离子体材料钨材料受高能粒子(离子或中子)辐照会在其内部形成大尺寸缺陷团簇，例如空洞、伯格斯矢量为1/2<111>或<100>的位错环等缺陷。不同类型的辐照缺陷具有不同的几何结构、扩散性质和反应类型，对材料物性具有不同的影响规律，最终导致材料力学性能下降。因此，得到具有可靠尺寸分布和空间分布的缺陷初始分布至关重要。当前钨材中子辐照行为评估主要采用辐照实验模拟和多尺度计算模拟，其中辐照实验模拟包括裂变中子和离子辐照实验模拟。基于裂变中子实验模拟的钨材服役行为评估难度大、风险高、费用高、周期长，导致缺乏相关系统数据，严重制约了其失效行为、规律与性能评估技术的发展。近年来随着超级计算机计算能力的提高和算法本身进一步发展，采用基于物理与参数传递的原子尺度(分子动力学/第一性原理方法)—介观尺度(对象动力学蒙特卡洛/团簇动力学方法)—宏观尺度(位错动力学/有限元方法)的多尺度方案模拟核材料辐照损伤效应进展迅速，已成为核材料辐照损伤研究不可或缺的有力工具。
[0003]申请号为CN201910724904.1的专利技术专利《一种核反应堆材料辐照损伤的多尺度耦合模拟方法》包括如下步骤：(1)初始化系统设置和原子信息，包括系综、温度、压力、第一个被中子撞击离位的点阵原子PKA的入射方向及能量、原子的初始坐标、初始速度、邻居原子；(2)用分子动力学方法模拟一种PKA导致的级联碰撞过程，同一初始条件下多次重复模拟，对分子动力学模拟得到的原子信息进行初始缺陷统计分析，得到初始缺陷分布；(3)将所述初始缺陷分布作为动力学蒙特卡洛模拟的输入信息，用原子动力学蒙特卡洛方法模拟缺陷退火过程，对动力学蒙特卡洛模拟得到的间隙和空位分布进行缺陷统计，得到缺陷团簇的尺寸及数密度分布；(4)对于每一种级联碰撞过程，重复步骤(2)～步骤(3)，得到不同PKA的缺陷团簇尺寸及数密度分布；(5)将所述缺陷团簇的尺寸及数密度分布信息作为团簇动力学模拟的输入信息，由团簇动力学模拟缺陷团簇的长时演化过程，采用团簇动力学方法，兼顾考虑缺陷的空间信息，得到能够表征的微观结构类型及空间分布，为核材料的性能预测提供信息。辐照损伤多尺度模拟方案中的原子尺度(～纳米)的分子动力学(Molecular Dynamics，MD)方法已成为模拟材料辐照损伤应用最广泛的方法，它能够给出可靠的级联损伤缺陷空间分布和尺寸分布，这些关键参数作为后续模型的输入条件以进行更大尺寸(微米
‑
毫米/米)、更长时间(秒
‑
时)的缺陷演化模拟，对模拟结果的准确预测起关键作用。然而MD级联模拟受计算效率的限制，通常只能取一些离散的级联能量点进行模拟，并且模拟次数有效(例如10至50次)，以便形成一个初级损伤缺陷分布数据库。而中子辐照钨材料缺陷演化多尺度模拟方案的缺陷初始分布都是基于级联能量近似的方式从该数据库中选取，不能直接用于具有连续PKA能谱的真实核反应堆辐照环境模拟。此外，基于动力学蒙特卡洛模型的工具，例如SRIM，虽然具有高效的计算速度，但产生的缺陷初始分布无论在尺寸分布还
是空间分布上都与更加精确的MD方法存在明显偏差。研究结果亦表明尽管具有相同的辐照剂量，不同中子能谱的辐照源对钨材料的辐照效应具有明显的差异。可见，可靠的初级损伤缺陷分布对钨辐照损伤多尺度模拟框架的缺陷演化和力学性能准确评估所起的关键作用。
[0004]总之，现有技术中针对核聚变装置面向等离子体材料钨受高能中子辐照缺陷演化多尺度模拟框架中缺陷初始分布存在产生效率和精度无法兼顾的技术问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题在于如何解决现有技术中辐照缺陷演化多尺度模拟框架中缺陷初始分布产生效率和精度无法兼顾的技术问题。
[0006]本专利技术是采用以下技术方案解决上述技术问题的：一种基于MD级联构型分析的钨辐照缺陷产生方法包括：
[0007]S1、对PKA能谱采用随机抽样方法得到单个的PKA能量E
pka
；
[0008]S2、根据单个的所述PKA能量处理得到相应的级联能量E
md
＝f(E
pka
)
·
E
pka
；
[0009]S3、根据所述级联能量E
md
＝f(E
pka
)
·
E
pka
处理得到缺陷数目和缺陷团簇数目，据以利用两种模式进行抽样操作；
[0010]S4、根据所述级联能量E
md
＝f(E
pka
)
·
E
pka
得到缺陷团簇尺寸分布参数，拟合不同的所述级联能量的尺寸分布参数得到缺陷团簇尺寸分布参数随级联能量关系；
[0011]S5、通过对预设数量的MD级联模拟缺陷构型分析并根据所述缺陷团簇尺寸分布参数处理得到相应的缺陷团簇尺寸分布形式，据以随机抽样得到间隙团簇或空位团簇的尺寸分布；
[0012]S6、根据所述级联能量得到所述缺陷团簇空间分布参数，通过拟合不同所述级联能量的径向分布参数得到缺陷团簇径向分布参数随级联能量关系；
[0013]S7、根据所述缺陷团簇空间分布参数处理得到缺陷团簇空间分布形式，依照缺陷团簇径向和角向分布形式随机抽样得到间隙团簇或空位团簇的位置，进而得到整个级联缺陷构型。
[0014]本专利技术利用两种模式进行抽样操作，由PKA能量得到相应的级联能量，通过级联能量得到缺陷团簇尺寸分布参数，通过缺陷团簇尺寸分布参数获取间隙团簇或空位团簇的尺寸分布形式，通过缺陷团簇尺寸分布形式随机抽样获取缺陷团簇尺寸，通过缺陷团簇空间分布参数得到缺陷团簇空间分布形式，依照缺陷团簇径向和角向分布形式随机抽样得到间隙团簇或空位团簇的位置，进而得到整个级联缺陷构型。能够快速产生高精度的任意级联能量的钨初级损伤缺陷分布，从而直接为钨材料在具有连续PKA能谱的核聚变堆实际工况下的辐照损伤演化多尺度模拟提供可靠的初级损伤缺陷分布。本专利对未来CFETR和ITER面向等离子体材料钨的中子辐照性能退化评估具有重要的应用价值。
[0015]在更具体的技术方案中，所述步骤S1包括：
[0016]S11、设P(E
pka
)为PKA能谱累积几率；
[0017]S12、根据所述PKA能谱累积几率产生ξ∈[0,1)的随机数；
[0018]S13、当P(E
c
)≥ξ时，将E
c
选取为所述PKA能量E
pka
。
[0019]在更具体的技术方案中，所述步骤S2包括：
[0020]S21、利用动力学蒙特卡洛模拟程序IM3D计算所述级联能量与所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于MD级联构型分析的钨辐照缺陷产生方法，其特征在于，所述方法包括：S1、对PKA能谱采用随机抽样方法得到单个的PKA能量E
pka
；S2、根据单个的所述PKA能量处理得到相应的级联能量E
md
＝f(E
pka
)
·
E
pka
；S3、根据所述级联能量E
md
＝f(E
pka
)
·
E
pka
处理得到缺陷数目和缺陷团簇数目，据以利用两种模式进行抽样操作；S4、根据所述级联能量E
md
＝f(E
pka
)
·
E
pka
得到缺陷团簇尺寸分布参数，拟合不同的所述级联能量的尺寸分布参数得到缺陷团簇尺寸分布参数随级联能量关系；S5、通过对预设数量的MD级联模拟缺陷构型分析并根据所述缺陷团簇尺寸分布参数处理得到相应的缺陷团簇尺寸分布形式，据以随机抽样得到间隙团簇或空位团簇的尺寸分布；S6、根据所述级联能量得到所述缺陷团簇空间分布参数，通过拟合不同所述级联能量的径向分布参数得到缺陷团簇径向分布参数随级联能量关系；S7、根据所述缺陷团簇空间分布参数处理得到缺陷团簇空间分布形式，依照缺陷团簇径向和角向分布形式随机抽样得到间隙团簇或空位团簇的位置，进而得到整个级联缺陷构型。2.根据权利要求1所述的一种基于MD级联构型分析的钨辐照缺陷产生方法，其特征在于，所述步骤S1包括：S11、设P(E
pka
)为PKA能谱累积几率；S12、根据所述PKA能谱累积几率产生ξ∈[0,1)的随机数；S13、当P(E
c
)≥ξ时，将E
c
选取为所述PKA能量E
pka
。3.根据权利要求1所述的一种基于MD级联构型分析的钨辐照缺陷产生方法，其特征在于，所述步骤S2包括：S21、利用动力学蒙特卡洛模拟程序IM3D计算所述级联能量与所述PKA能量E
pka
的比值f(E
pka
)；S22、根据所述级联能量与所述PKA能量的比值f(E
pka
)处理得到相应的所述级联能量E
md
＝f(E
pka
)
·
E
pka
。4.根据权利要求1所述的一种基于MD级联构型分析的钨辐照缺陷产生方法，其特征在于，所述步骤S3中的抽样操作中总的空位和间隙数目相同。5.根据权利要求1所述的一种基于MD级联构型分析的钨辐照缺陷产生方法，其特征在于，所述步骤S3包括：S31、以下述逻辑表示点缺陷数目随级联能量关系：，其中，E
d
为阈值离位能量，E0为分段函数转折点，其中S32、以下述逻辑表示缺陷团簇数目随级联能量的关系：
N(E)＝a
·
E
b
+c，其中，a，b，c为拟合参数，N(E)为所述缺陷团簇数目。6.根据权利要求1所述的一种基于MD级联构型分析的钨辐照缺陷产生方法，其特征在于，所述步骤S4中，对于空位团簇：间隙团簇：取平均值作为S2值，式中，为空位团簇转折。7.根据权利要求1所述的一种基于MD级联构型分析的钨辐照缺陷产生方法，其特征在于，所述步骤S5包括：S51、以下述逻辑表示缺陷团簇尺寸分布：S51、以下述逻辑表示缺陷团簇尺寸分布：k(N)＝g(N)
·
exp[
‑
(N
‑
N
max
)2/2σ2],N...

【专利技术属性】
技术研发人员：张传国，李永钢，郑淇蓉，魏留明，程凡，曾雉，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：