论FeCr合金辐照损伤的多尺度模拟[1]

Vol. 55 ,No. 1Jan. 2021第55卷第1期2021年1月原子能科学技术Atomic Energy Science and Technology实体动力学蒙特卡罗方法 在核材料辐照损伤模拟中的应用潘卓楠1杨章灿，周洪波2,吕广宏2(1•华中科技大学，湖北武汉430074#.北京航空航天大学，北京100191)摘要：实体动力学蒙特卡罗(OKMC)方法是模拟材料辐照微结构演化的有效工具,能够在保留缺陷空间关联性的前提下处理缺陷的扩散和缺陷之间的相互作用，并且具有足够大的时空尺度，使其模拟结果能够与实验值进行直接对比％本文首先详细地介绍了 OKMC 方法和模型的构建％然后在不同时空尺度下，通过具体实例介绍了 OKMC 在缺陷阱吸收强度、级联内退火模拟、反应堆压力容器钢的脆化机理研 究、杂质对微结构演化作用、空洞阵列模拟等材料辐照模拟方面的应用，并讨论了 OKMC 方法的优劣和 未来发展可能需要解决的问题％结果表明,OKMC 方法具备准确、灵活和大时空尺度的特征，可有效地应用于核材料辐照损伤模拟％另外，算法的并行化、如何解决OKMC 方法对事件库的依赖从而使其可 模拟更加复杂的系统、如何与其他尺度的方法结合是未来OKMC 方法发展所需要克服的挑战％关键词：OKMC ；微结构演化模拟；核材料；多尺度计算机模拟；聚变中图分类号:TP391. 9文献标志码:A 文章编号：1000-6931(2021)01-0062-14doi ：10. 7538/yzk. 2020. youxian. 0486Application of Object Kinetic Monte Carlo Method in Radiation Damage Simulation of Nuclear MaterialPAN Zhuonan 1 , YANG Zhangcan 1，" , ZHOU Hon gbo 2 , LYU Guanghong 2(1. Huazhong University of Science and Technology , Wuhan 430074 , China #2. Beihang University , Beijing 100191 , China )Abstract : The object Kinetic Monte Carlo (OKMC ) method is an effective tool that cansimulate evolution of microstructures in irradiated materials. It can deal with defect dif ­fusion and interaction between defects while accounting for the spatial correlation ofdefects. It has a sufficiently large space-time scale , making it possible to directly com-parewithexperimentalobservations.Inthispaper !theOKMC methodandmodelwereintroducedin detail.Thentheapplication of OKMCinthesimulationsofirradiated materials was demonstrated by a few examples !including calculation of sink strength !cascadeannealingsimulation !embri t lementofreactorpressuresteels !e f ectofimpuri-收稿日期：2020-07-16;修回日期：2020-09-29基金项目：国家磁约束核聚变能发展研究专项资助项目(018YFE0308103)国家自然科学基金资助项目(11905071) 作者简介:潘卓楠(1996—),男，四川成都人，硕士研究生，核工程与核技术专业通信作者：杨章灿，E-mail ： yang_zhangcan@hust. edu. cn第1期潘卓楠等：实体动力学蒙特卡罗方法在核材料辐照损伤模拟中的应用63ties on the evolution of microstructure,and void lattice formation.At last,advantages anddisadvantagesoftheOKMC methodandtheissuesneededtobeaddressedinfuture werediscussed TheresultsshowthatOKMC methodhasthecharacteristicsofaccura-cy!flexibilityandlargespace-timescale!andcanbeappliede f ectivelyinthefieldof irradiationsimulation FuturedevelopmentofOKMC methodshouldfocusonpara l el-izationofthealgorithm!applicationstocomplexsystemsandcombination withother methodswithdi f erentscalesKey words：OKMC；microstructure evolution simulation；nuclear material%multiscale computer simulation；fusion核反应堆中严峻的运行条件对反应堆装置材料提出了巨大的挑战$材料暴露在高辐照水平的系统中，高能粒子的撞击会破坏材料原本完美的晶格，产生诸如位错、空洞、析出相等缺陷，而这些缺陷严重影响着材料的宏观性能）12*$辐照引起材料内部微结构演化在时间和空间上是个多尺度的过程，在实验上,很难实现原子空间尺度、微纳秒时间尺度上对实验的精准控制来进行缺陷演化机制的研究$而计算机模拟能够弥补实验上的不足，可用于解释微结构演化的机制，并且能够根据辐照条件对辐照效应提出预测$辐照导致微结构演化的多尺度特性很难用单一的计算模型来研究，因此微结构演化模拟的研究通常使用多尺度模拟方法3$入射高能粒子与被辐照材料基体原子碰撞后产生初级撞出原子（PKA）,其能量分布可以通过粒子输运程序，如MCNP程序来计算。

核物理在材料辐照损伤研究中的应用在当今科技飞速发展的时代，材料科学领域的研究不断取得新的突破，其中核物理在材料辐照损伤研究中的应用具有极其重要的意义。

材料在核反应堆、太空探索、医疗设备等众多领域中会受到各种辐射的影响，导致其性能下降甚至失效。

为了保障这些关键应用的可靠性和安全性，深入研究材料的辐照损伤机制并开发出抗辐照性能优异的材料显得至关重要。

首先，我们来了解一下什么是材料辐照损伤。

当材料暴露在高能粒子（如中子、质子、电子等）的辐射下，粒子与材料中的原子发生相互作用，传递能量，从而导致原子移位、产生缺陷、化学键断裂等一系列微观结构的变化。

这些变化会逐渐累积，影响材料的力学性能、电学性能、热学性能等宏观特性。

核物理在材料辐照损伤研究中的一个重要应用是利用粒子加速器产生的高能粒子束对材料进行辐照实验。

通过精确控制粒子的种类、能量、剂量等参数，可以模拟材料在不同辐射环境下的损伤情况。

例如，在研究核反应堆材料时，可以使用中子源模拟反应堆内的中子辐照环境，观察材料在长期辐照下的微观结构演变和性能变化。

这种实验方法能够为材料的设计和优化提供直接的依据。

同步辐射光源也是核物理研究中的重要工具，在材料辐照损伤研究中发挥着关键作用。

同步辐射光源具有高强度、高准直性、宽频谱等优异特性，能够为材料的微观结构分析提供极其灵敏和精确的手段。

例如，利用 X 射线衍射技术可以研究辐照后材料的晶体结构变化；小角 X 射线散射技术可以探测材料中纳米尺度的缺陷和析出相；X 射线吸收精细结构谱能够获取材料中原子的局域结构和化学环境信息。

这些技术的综合应用使得我们能够深入理解辐照损伤对材料微观结构的影响机制。

核物理中的各种探测技术对于研究材料辐照损伤也是不可或缺的。

例如，正电子湮没技术可以探测材料中的空位型缺陷；电子显微镜技术能够直接观察辐照导致的微观结构变化，如位错、晶界等；离子束分析技术可以确定材料中元素的分布和浓度变化。

这些探测技术相互补充，为全面揭示材料辐照损伤的本质提供了有力的支持。

核材料辐照损伤程度评估与材料寿命预测1. 引言核能作为一种清洁、高效、可持续的能源形式，已经广泛应用于电力生产、医疗和工业领域。

然而，核材料在长期的辐照过程中会受到辐射损伤，这会导致材料性能的逐渐退化。

因此，对于核材料的辐照损伤程度评估和寿命预测是非常重要的。

2. 核材料辐照损伤机理在核反应堆中，高能中子与原子核发生碰撞，并导致原子核发生裂变或散射。

这些裂变或散射过程会产生大量的次级粒子和高能电子。

这些次级粒子和电子会与材料原子发生碰撞，并导致原子位置发生变化，形成位错和空位。

位错是晶体中原子位置偏离理想位置形成的缺陷。

位错的密度和种类对于材料性能具有重要影响。

空位是晶体中缺失了一个原子而形成的缺陷。

空位可以影响晶体结构和机械性能。

3. 核材料辐照损伤程度评估方法3.1 微观结构观察通过电子显微镜对辐照材料进行观察，可以获得材料的微观结构信息。

例如，通过高分辨透射电子显微镜可以观察到位错和空位的分布情况。

通过扫描电子显微镜可以获得材料的表面形貌信息。

3.2 辐射损伤指标辐射损伤指标是评估核材料辐照损伤程度的重要参数。

常用的指标包括位错密度、空位密度和晶体缺陷体积分数。

这些指标可以通过实验方法或计算模拟方法进行测量和计算。

3.3 辅助性测试方法除了微观结构观察和辐射损伤指标，还可以使用一些辅助性测试方法来评估核材料的辐照损伤程度。

例如，通过硬度测试、拉伸试验和冲击试验等机械性能测试来评价材料的力学性能变化。

还可以使用电学、热学等性能测试来评价材料其他方面的变化。

4. 核材料寿命预测方法4.1 经验公式法经验公式法是一种基于实验数据和经验模型的寿命预测方法。

通过对已有的辐照实验数据进行统计分析和拟合，可以得到一些经验公式。

这些公式可以用于预测辐照材料在不同辐照剂量下的寿命。

4.2 物理模型法物理模型法是一种基于材料物理特性和辐照损伤机理的寿命预测方法。

通过建立数学模型，考虑材料微观结构和缺陷演化过程，可以对材料在不同辐照剂量下的性能退化进行预测。

第19卷第1期装备环境工程2022年1月EQUIPMENT ENVIRONMENTAL ENGINEERING·1·核电材料辐照损伤的多尺度高通量计算模拟薛飞1，王忆2,1，刘向兵1，赖文生2，季骅1,2，刘剑波2，柳百新2（1.苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 215004；2.清华大学，北京 100084）摘要：反应堆压力容器用钢等核电材料在持续服役中，由于中子辐照造成其内部缺陷不断累积，致使材料组织结构损伤、性能劣化，对核电安全运行形成潜在威胁。

多尺度计算模拟是探索辐照缺陷演化机理的有效手段，结合等效缺陷结构理论，有望实现核电材料服役行为的高效评价与预测。

文中综述了多尺度计算模拟在核电材料辐照缺陷演化相关研究领域的进展，并对缺陷结构的多尺度演化本质及相应的多尺度高通量计算模拟方法进行了分析讨论。

结果表明，通过缺陷结构特征能量等效传递的方法可以实现从第一性原理计算到缺陷扩散反应动力学等高通量计算模拟的跨尺度耦合；通过多尺度高通量计算模拟得到的缺陷演化热力学和动力学数据，可以搭建用于预测核电材料长期服役行为的材料基因工程数据库；在材料缺陷结构特征能量-组织结构-性能关联性探讨基础上，应用高通量计算模拟，辅以高通量实验数据验证，有望建立基于材料基因组结构能的服役安全工程模型。

关键词：核电材料；辐照缺陷；多尺度模拟；高通量计算；材料基因组结构能中图分类号：TG111 文献标识码：A 文章编号：1672-9242(2022)01-0001-10DOI：10.7643/ issn.1672-9242.2022.01.001. All Rights Reserved.Radiation Damage of Nuclear Power Materials: A Review of theMulti-Scale High-Throughput SimulationsXUE Fei1, WANG Yi2,1, LIU Xiang-bing1, LAI Wen-sheng2, JI Hua1,2, LIU Jian-bo2, LIU Bai-xin2(1.Suzhou Nuclear Power Research Institute, Suzhou 215004, China; 2.Tsinghua University, Beijing 100084, China)ABSTRACT: The nuclear power materials are subjected to chronic neutron irradiation, during which radiation defects accumu-late to degrade the material structure and properties, leading to potential threat of safety of nuclear power plants. The frameworkof multi-scale high-throughput simulations is a keystone on revealing the mechanisms of radiation defect evolution, which mayfulfill the life and performance prediction based on the concept of equivalent defect structures. In this paper, the recent devel-opment of multi-scale high-throughput simulations on the defect evolution in nuclear power materials is reviewed. First, themulti-scale nature of the evolution of defect structures is introduced. Then, the state-of-the-art multi-scale simulation techniques收稿日期：2021-05-25；修订日期：2021-07-20Received：2021-05-25；Revised：2021-07-20基金项目：国家重点研发计划资助项目（2017YFB0702200）Fund：Supported by the National Key Research and Development Program of China (2017YFB0702200)作者简介：薛飞（1975—），男，博士，研究员级高工，主要研究方向为核电站老化与寿命管理技术。

科技视界Science &Technology Vision【摘要】反应堆压力容器或其关键设备可能会长期受到来自堆芯的高能中子射线照射造成辐照损伤,从而影响到其关键性能,所以需要对压力容器和关键设备的辐照损伤行为开展模拟研究。

文章利用分子动力学原理,采用分子动力学分析软件LAMMPS 以及后处理可视化分析软件OVITO 对Fe 晶体在接受辐射照射后的缺陷数量进行了初步研究,并系统分析了初级离位原子(PKA )的温度、飞行方向和能量对缺陷的影响。

结果表明:(1)辐射照射后形成的缺陷对数量随PKA 温度的增加会出现一个小幅度减少的态势;(2)PKA 方向变化对辐照损伤后形成的缺陷对数量影响不大,而仅仅影响其分布;(3)辐射缺陷相对数量随着PKA 携带能量的升高而增大。

【关键词】分子动力学;Fe 晶体;辐照损伤0引言在核反应堆中，金属围板、吊篮以及压力容器等设施长时间接受各种粒子、射线辐照，尤其是能量超过MeV 数量级的中子辐射[1]，将会使材料内的微观点阵原子引起直接反冲效应，从而逃出当前的晶格空隙，并产生多个初始离位原子，而每一个初始离位原子后又产生下一次的碰撞级联，使晶格内原子产生更大规模的点缺陷效应，最后产生团簇，进而使得材料结构遭受更加剧烈的破坏，性能无法满足使用要求。

1计算方法及模型构建1.1计算方法分子动力学[2，3]是一种计算科学领域的分析方法，基本原则是假设微粒的运动遵循牛顿第二运动定律，经过对大量射线的运动轨迹加以追踪，对运行方程加以积分，采用统计学的方法，对各个微观量加以计算平均值，最终求解得出各个宏观物理量，分子动力学的输入输出信息如图1所示。

其模拟流程主要有四大模块：（1）模型建立：根据所要研究的体系建立适当的初始模型。

图1分子动力学的输入输出信息（2）系统驰豫：通过设定模型初始化条件后，对相应的仿真参数进行了设定，对系统进行了驰豫，并由此得出系统的平衡态结构。

（3）核心计算模块：针对要模拟的事物创建不同的程序。

金属材料的组织与性能10μm组织是指用金相观察方法观察材料内部时看到的涉及晶体或晶粒大小、方向、形状排列状况等组成关系的组成20钢退火态组织照片304不锈钢SEM照片变形304钢TEM照片AFM/MFM图像250nmα'γ纳米晶粒与重原子探针团簇100 nm纳米复合铁素体合金三叉晶界10 晶界123孪晶结构1. 70%Cu-30%Zn合金孪晶结构2. 奥氏体不锈钢的孪晶结构3. 奥氏体不锈钢的孪晶结构位错结构1. TEM下观察到316L不锈钢(00Cr17Ni14Mo2)的位错线与位错缠结2. 马氏体钢固溶处理后急冷残余奥氏体中的位错011g200 nm3. Fe-40at%Al(B2)单晶体室温变形后的位错结构。

塑性应变ε= 13 %,位错密度ρ= 2.4×1010cm-2.镍中的位错共析钢-珠光体球化珠光体低碳钢-珠光体 1.4% carbon steel 铁素体Ferrite含部分残余奥氏体的马氏体Fe-30Ni-0.31C钢的马氏体针状马氏体以德国科学家Adolph Martens命名的Fe-0.43C-2Si-3Mn钢部分转变形成的上贝氏体组织(a) 光学显微照片(b,c) 明场和暗场像(d) 羽毛状组织(a)光学显微照片(b) TEM照片普通碳钢的下贝氏体组织A类，碳化物在晶界析出B类，重结晶后，碳化物在原始晶界网状析出B类，重结晶后，碳化物在晶内和原始晶界网状析出非晶体纯铁的显微组织晶界、晶粒、取向空间点阵、晶格β≠90°空间点阵几何规律的基本空间单元，一般取最小平行六面体。

面心立方(fcc) 体心立方(b cc)密排六方(h cpa(c/a=1.63434a234a c+2 62 8 120.74 0.68 0.741212 0.2 0.291R0.225R6 60.40.154R<100.633R<1100.414R面缺陷固溶强化细晶强化沉淀强化/第二相强化相变强化位错塞积+=i s σσ形变强化：S ＝K εn级联/串级碰撞离位峰的原始形式离位峰附近留下的晶体缺陷离位原子级数越高，能量越小，运行距离Frenkel位部分空位与间隙原子相遇，复合、消失空位与间隙原子遇到位错、晶界后被复合空位与间隙原子各自通过聚集、崩塌，形在间隙原子的迁移过程中，产生某些元素的原子碰撞后释放的能量可使离位峰内局部微区的温度上升得很高，形成一个热峰热峰是局部微区温度急升骤降的现象。

装 备 环 境 工 程第19卷 第1期·50·EQUIPMENT ENVIRONMENTAL ENGINEERING 2022年1月收稿日期：2021-06-08；修订日期：2021-07-05 Received ：2021-06-08；Revised ：2021-07-05 基金项目：国家重点研发计划（(2017YFB0702202）Fund ：Supported by the National Key Research and Development Projects (2017YFB0702202)作者简介：李建洋（1985—），男，硕士，助理研究员，主要研究方向为反应堆材料辐照损伤建模计算。

Biography ：LI Jian-yang (1985—), Male, Master, Assistant researcher, Research focus: modeling and computer simulation of radiation damage in nuclear materials.引文格式：李建洋, 张崇宏, 杨义涛. Fe-C 合金中辐照缺陷特征的剂量率效应计算模拟[J]. 装备环境工程, 2022, 19(1): 050-055.LI Jian-yang, ZHANG Chong-hong, YANG Yi-tao. Dose-Rate Effect Simulation of Radiation Defect Characteristics in Fe-C Alloys[J]. Equip-ment Environmental Engineering, 2022, 19(1): 050-055.Fe -C 合金中辐照缺陷特征的剂量率效应计算模拟李建洋1,2，张崇宏1，杨义涛1（1.中国科学院 近代物理研究所，兰州 730000； 2.中国科学院大学 核科学与技术学院，北京 100049）摘要：目的 尝试采用计算模拟方法探究剂量率对辐照微结构特征的影响，探究常温辐照下剂量率效应的机理。

核反应堆中的损伤效应与辐照增强材料核反应堆是一种利用核裂变或核聚变反应产生能量的装置，它在能源领域具有重要的地位。

然而，核反应堆在长期运行过程中会受到辐照的影响，导致材料的损伤效应。

为了提高核反应堆的安全性和可靠性，科学家们研发了辐照增强材料，以抵抗辐照引起的损伤效应。

一、核反应堆中的损伤效应核反应堆中的损伤效应主要包括辐照损伤、辐照诱发的缺陷和辐照引起的材料性能变化。

1. 辐照损伤辐照损伤是指材料在受到辐照后，晶体结构发生变化，导致材料的物理和力学性能发生变化。

辐照损伤主要包括位错、空位、间隙等缺陷的形成和聚集，以及晶体结构的变形和破坏。

2. 辐照诱发的缺陷辐照诱发的缺陷是指在材料中由于辐照引起的缺陷形成。

这些缺陷包括空位、间隙、位错等，它们会导致材料的力学性能下降，甚至引发材料的断裂。

3. 辐照引起的材料性能变化辐照会引起材料的物理和化学性质发生变化，包括晶体结构的改变、晶粒尺寸的增大、晶界的移动等。

这些变化会导致材料的力学性能、热学性能、电学性能等发生变化。

二、辐照增强材料为了抵抗核反应堆中的辐照损伤效应，科学家们研发了辐照增强材料。

辐照增强材料是指在材料中添加一定的元素或合金，以提高材料的抗辐照性能。

1. 晶界工程晶界工程是一种通过控制晶界的结构和性质，来提高材料的抗辐照性能的方法。

晶界是晶体中两个晶粒的交界面，它对材料的力学性能和辐照损伤具有重要影响。

通过调控晶界的结构和性质，可以减缓辐照损伤的发展，提高材料的抗辐照性能。

2. 溶质强化溶质强化是一种通过在材料中添加溶质元素，来提高材料的抗辐照性能的方法。

溶质元素可以改变材料的晶体结构和晶粒尺寸，从而减缓辐照损伤的发展。

常用的溶质元素包括镍、铬、钼等。

3. 相变强化相变强化是一种通过控制材料的相变过程，来提高材料的抗辐照性能的方法。

相变可以改变材料的晶体结构和晶粒尺寸，从而减缓辐照损伤的发展。

常用的相变材料包括铁素体、奥氏体等。

三、辐照增强材料的应用辐照增强材料在核反应堆中具有广泛的应用。