铬钒掺杂对钨的性能影响的第一性原理研究

铬钒掺杂对钨的性能影响的第一性原理研究核聚变被公认为是解决未来能源短缺问题的终极方案之一。由于钨具有熔点高、热导性好、溅射率低等优点,因此它被广泛地认为是最具潜力的面向等离子体材料和第一壁材料的候选材料,它被考虑用在国际热核聚变实验堆(ITER)、中国聚变工程示范堆(CFETR)等聚变反应堆中。

在聚变反应堆中,钨会受到强流低能的氢氦粒子流的作用。当氢氦粒子进入钨中,不可避免地会对钨的性能造成不利影响,若大量的氢氦粒子在钨中聚集形成氢泡或氦泡这将严重缩短钨在聚变堆中的服役寿命。

当氢氦粒子在钨的面向等离子体的一面聚集会造成钨表面的起泡或“长毛”,将杂质引入到聚变等离子体中,对聚变堆的稳定运行造成严重影响。聚变堆中还存在大量的高能聚变中子,在高能聚变中子的轰击下,钨中会形成大量的空位和自间隙原子。

因此,研究清楚钨中氢氦的行为、氢氦与钨中空位的相互作用和氢氦与钨中自间隙原子间的相互作用对钨基面向等离子体材料的发展是非常重要的。在钨中掺入适当的合金元素不但能够改善钨的机械性能,而且它们也能够成为氢氦的聚集中心,从而把钨中氢氦输运到一个合适的地方沉积,这样就可以延长钨在聚变堆的服役寿命。

本文通过基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了钨中氢氦的行为、氢氦与钨中空位的相互作用、氢泡或氦泡在钨中的形核机理、铬钒对钨的性能影响以及铬钒对钨中氢氦的影响,具体的研究结果如下:1.氢在钨中倾向于占据四面体间隙位、氦倾向于占据八面体间隙位,因为氢氦在这些地方形成点缺陷的形成能最低。2.空位对钨中氢氦的吸引作用较强,一个空位最多能够吸引12个氢原

子,一个空位最大可以吸引14个氦原子。

空位对钨中氢的吸引作用主要是由于空位产生的局部应力,而空位对钨中氦的吸引作用是空位产生的局部应力和电荷密度减少的共同作用。3.空位对钨中氢泡和氦泡的形核具有重要作用,当空位与钨中氢氦聚集成团时,邻近集团的钨原子的稳定性急剧下降,在原来集团附近产生新的空位,新的空位又吸引更多的氢氦原子,因而钨中氢泡和氦泡在空位的帮助下不断聚集直到破裂。

4.铬钒掺入钨中会使其机械强度下降和延展性增加,造成这种改变的原因是铬与钨之间以及钒与钨之间的相互作用均稍弱于钨与钨之间的相互作用。

5.铬钒对钨中氢氦均具有吸引作用,且吸引作用的强弱与氢氦所处位置有关,铬钒对钨中氢氦的吸引作用弱于空位对钨中氢氦的吸引作用,因为铬钒带来的局部应力和电荷密度的减少均不如空位产生的影响强烈。

通过本文的研究工作能够从原子尺度上去认识和理解氢氦在钨中的行为、氢氦与钨中空位的相互作用、氢泡和氦泡在钨中的形核机理、铬钒对钨的性能影响以及铬钒与钨中氢氦的相互作用等。本文的研究工作也能够为作为面向等离子体材料的钨基材料的研发提供一定的的理论指导。