一种氦泡肿胀过程绒毛生长机制预测方法技术

本发明专利技术公开了一种氦泡肿胀过程绒毛生长机制预测方法，该方法包括：一、构建预测模型；二、确定He泡未破裂时深度对W基体表面的影响；三、确定He泡破裂对W基体表面形貌变化的影响。本发明专利技术通过对He泡未破裂时其深度对W基体表面的影响，以及He泡破裂对W基体表面形貌变化的影响，得到在W基体表面绒毛生长的情况，通过氦扩散+聚集以及气泡膨胀+破裂两种情况下反应对绒毛生长情况的影响，对全面评估核反应堆材料在工程上的应用具有重要意义。料在工程上的应用具有重要意义。料在工程上的应用具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种氦泡肿胀过程绒毛生长机制预测方法


[0001]本专利技术属于核聚变
，尤其是涉及一种氦泡肿胀过程绒毛生长机制预测方法。

技术介绍

[0002]核能发电具有清洁高效等特点，其中，核电系统的稳定性和安全性取决于反应堆核材料的性能。例如，在核聚变装置中，等离子体对材料产生强烈的作用，这就要求材料能够对抗更严苛的侵蚀环境(高温、高通量粒子辐照、时变应力和强中子辐照)，核反应堆结构材料需要具有高强度、大的延展性以及高断裂强度等优良的机械性能。因此，传统核反应堆材料受到高通量粒子和强中子辐照后的性能检验以及新型核反应堆材料的开发探索一直备受材料研究者的高度关注。
[0003]金属钨(W)作为聚变堆第一壁材料备受关注。实验研究表明，氦(He)辐照下钨表面形成纳米组织结构，这将严重改变聚变堆氢同位素在材料中的滞留以及面壁材料的溅射行为从而影响芯部等离子体的正常反应运行。在实验中发现W表面有绒毛产生，但并不清楚其生长机制；且研究W表面下He泡的演化及其对表面形貌的影响成为了解面向等离子体材料表面性能恶化的关键。因此，从微观角度出发，完善W材料表面绒毛生长的内在机制至关重要。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种氦泡肿胀过程绒毛生长机制预测方法，通过对He泡未破裂时其深度对W基体表面的影响，以及He泡破裂对W基体表面形貌变化的影响，得到在W基体表面绒毛生长的情况，通过氦扩散+聚集以及气泡膨胀+破裂两种情况下反应对绒毛生长情况的影响，对全面评估核反应堆材料在工程上的应用具有重要意义。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种氦泡肿胀过程绒毛生长机制预测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
[0006]步骤一、构建预测模型：选取多个真空区域，在每个真空区域内填充一个W基体，且W基体的顶面和所述真空区域的顶面之间的距离为10a0～15a0；在每个W基体中均挖出一个球形腔体并填充多个He原子，且每个所述W基体中填充的He原子的比例不同，He原子聚集后形成He泡；其中，所述W基体的尺寸为30a0
×
30a0
×
40a0，a0为晶体晶格常数，表示的是相邻两个原子之间的间隔；W基体中最上方的He泡顶面和W基体顶面之间的深度为D；
[0007]步骤二、确定He泡未破裂时深度对W基体表面的影响，过程如下：
[0008]步骤201、选取体系为正则系综NVT，时间步长内运动的最大距离为0.05A作为步骤一中构建的预测模型的模拟参数进行模拟计算；
[0009]步骤202、选取作用在原子碰撞过程中的势函数；
[0010]步骤203、根据公式P＝
‑
(σ
11
+σ
22
+σ
33
)/3，计算每个原子的压力P，结合势函数，得到
He原子比例不同的各个W基体中，当He泡没有破裂时，在距离D＝5a0时，He泡呈现液滴状，且会使W基体表面凹凸不平，产生绒毛状结构；其中，σ
ii
(i∈x,y,z)为原子应力张量，代表x，y，z方向上的正应力；σ
11
为x方向上正应力，σ
22
为y方向上正应力，σ
33
为z方向上正应力；
[0011]步骤三、确定He泡破裂对W基体表面形貌变化的影响，过程如下：
[0012]步骤301、对步骤一中的每个W基体进行观测，得到填充的He的He/V比为3.7的W基体中，在1.35ps之后发生He泡不稳定发生破裂；
[0013]步骤302、He泡破裂后，在He泡的中心和W基体的表面之间形成一个脱离通道，所述脱离通道在W基体结构稳定后无法恢复；待W原子稳定后在所述脱离通道和W基体表面的连接处无序堆积，形成岛状结构；
[0014]步骤303、对W基体进行辐照的过程中，不断产生新的He原子，新的He原子合并长大，新形成的He泡不断在所述岛状结构堆积，待He泡破裂后形成凹坑，W原子在所述凹坑的边缘堆积，且所述凹坑的高度高于W基体的表面；
[0015]步骤304、对W基体持续进行辐照的过程中，重复步骤303，得到当He泡破裂时，在W基体的表面形成绒毛状结构。
[0016]上述的一种氦泡肿胀过程绒毛生长机制预测方法，其特征在于：步骤一中，所述He泡的半径为3a0～5a0；多个所述W基体中填充的He的He/V比分别为3、3.1、
……
、5，且相邻两个W基体中填充的He的比例的差值为0.1。
[0017]上述的一种氦泡肿胀过程绒毛生长机制预测方法，其特征在于：步骤202中，W原子间的势函数选用的是多体Finnis
‑
Sinclair型的Ackland
‑
Thetford(AT)势函数；He原子之间短距离内的势函数选用的是Ziegler
‑
Biersack
‑
Littmark(ZBL)势函数。
[0018]上述的一种氦泡肿胀过程绒毛生长机制预测方法，其特征在于：步骤203中，其中，p,m和Ω分别是原子的动量、质量和Voronoi体积，是原子α和原子β之间的相互作用力，是原子α和原子β之间的距离。
[0019]上述的一种氦泡肿胀过程绒毛生长机制预测方法，其特征在于：步骤303和步骤304中，对He泡的堆积位置进行判断，由于W基体结构整体趋于能量最小状态，He泡不断堆积在W基体的表面凸起结构中，待He泡在W基体的表面凸起破裂后会形成新的凸起，形成绒毛状结构。
[0020]本专利技术的有益效果是通过对He泡未破裂时其深度对W基体表面的影响，以及He泡破裂对W基体表面形貌变化的影响，得到在W基体表面绒毛生长的情况，通过氦扩散+聚集以及气泡膨胀+破裂两种情况下反应对绒毛生长情况的影响，对全面评估核反应堆材料在工程上的应用具有重要意义。
[0021]下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0022]图1为本专利技术中不同深度下He泡中原子体积和压力分布的对比图。
[0023]图2为本专利技术中产生绒毛状结构的状态示意图。
[0024]图3为本专利技术中He泡与表面凸起之间不同深度的模型结构示意图。
[0025]图4为本专利技术的方法流程框图。
具体实施方式
[0026]如图1至图4所示的一种氦泡肿胀过程绒毛生长机制预测方法，该方法包括以下步骤：
[0027]步骤一、构建预测模型：选取多个真空区域，在每个真空区域内填充一个W基体，且W基体的顶面和所述真空区域的顶面之间的距离为10a0～15a0；在每个W基体中均挖出一个球形腔体并填充多个He原子，且每个所述W基体中填充的He原子的比例不同，He原子聚集后形成He泡；其中，所述W基体的尺寸为30a0
×
30a0
×
40a0，a0为晶体晶格常数，表示本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氦泡肿胀过程绒毛生长机制预测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、构建预测模型：选取多个真空区域，在每个真空区域内填充一个W基体，且W基体的顶面和所述真空区域的顶面之间的距离为10a0～15a0；在每个W基体中均挖出一个球形腔体并填充多个He原子，且每个所述W基体中填充的He原子的比例不同，He原子聚集后形成He泡；其中，所述W基体的尺寸为30a0
×
30a0
×
40a0，a0为晶体晶格常数，表示的是相邻两个原子之间的间隔；W基体中最上方的He泡顶面和W基体顶面之间的深度为D；步骤二、确定He泡未破裂时深度对W基体表面的影响，过程如下：步骤201、选取体系为正则系综NVT，时间步长内运动的最大距离为作为步骤一中构建的预测模型的模拟参数进行模拟计算，其中，为长度单位；步骤202、选取作用在原子碰撞过程中的势函数；步骤203、根据公式P＝
‑
(σ
11
+σ
22
+σ
33
)/3，计算每个原子的压力P，结合势函数，得到He原子比例不同的各个W基体中，当He泡没有破裂时，在距离D＝5a0时，He泡呈现液滴状，且会使W基体表面凹凸不平，产生绒毛状结构；其中，σ
ii
(i∈x,y,z)为原子应力张量，代表x，y，z方向上的正应力；σ
11
为x方向上正应力，σ
22
为y方向上正应力，σ
33
为z方向上正应力；步骤三、确定He泡破裂对W基体表面形貌变化的影响，过程如下：步骤301、对步骤一中的每个W基体进行观测，得到填充的He的He/V比为3.7的W基体中，在1.35ps之后发生He泡不稳定发生破裂；步骤302、He泡破裂后，在He泡的中心和W基体的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张伟伟，张文，梁静，常恬，白伟，辛甜，阚东晓，李建峰，
申请(专利权)人：西北有色金属研究院，
类型：发明
国别省市：