一种氦泡肿胀过程绒毛生长机制预测方法与流程

1.本发明属于核聚变技术领域，尤其是涉及一种氦泡肿胀过程绒毛生长机制预测方法。


背景技术：

2.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。
3.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。


技术实现要素：

4.本发明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。
5.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：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：
6.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；
7.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：
8.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；
9.步骤202、选取作用在原子碰撞过程中的势函数；
10.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；
11.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：
12.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；
13.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；
14.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；
15.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。
16.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。
17.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。
18.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。
19.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。
20.本发明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。
21.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
22.图1为本发明中不同深度下he泡中原子体积和压力分布的对比图。
23.图2为本发明中产生绒毛状结构的状态示意图。
24.图3为本发明中he泡与表面凸起之间不同深度的模型结构示意图。
25.图4为本发明的方法流程框图。
具体实施方式
26.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：
27.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；
28.步骤一中，a0为晶体晶格常数，表示的是相邻两个原子之间的间隔，a0随温度略有变化；其中，钨原子的变化；其中，钨原子的为长度单位。
29.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：
30.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；
31.步骤202、选取作用在原子碰撞过程中的势函数；
32.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；
33.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：
34.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；
35.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；
36.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；
37.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。
38.步骤一中，在w基体中挖出一个球形腔体用来填充he原子，是由于he原子聚集后形成he泡，he泡为球形结构，为了容纳he泡，因此需要在w基体中挖出一个球形腔体。
39.步骤201中，可在lammps软件中选取纯w基体进行辐照测试，在位移级联发生部分，分别在体系为正则系综nvt和微正则系综nve的情况下，结合lammps软件中的fix命令，选取不同的时间步长和能量进行分析比较，得到预测模型的体系为正则系综nvt，时间步长内运动的最大距离为
40.实际使用时，沿垂直于w基体的方向分为三部分：底部2个晶格层保持固定以保持
基体的质心；中间4个晶格层通过nos
é–
hoover恒温器保持恒温。首先选择更小的参数0.0001a0作为对比，并与位移级联发生部分采用正则系综nvt(中间部分为恒温器)和微正则系综nve(中间部分变为nve)的情况进行了比较。在lammps软件中给出了pka(初级碰撞原子)能量分别为100ev和5000ev时，体系在nvt系综下，顶部(除中部和底部)和中部的动能(对应于温度)和势能。在不同能量下，时间步长参数为0.0001a0的情况与时间步长参数为的情况非常相似。在采用nvt系综时，体系的总能量是不守恒的，因为中间部分的恒温器与上部分进有能量的传递过程，最终使两部分的温度达成一致。
41.步骤203中，如图1所示中的第一层，表示的是随着深度d的增加，体积的变化情况，图中颜色有深浅变化的是he泡，随着深度d的增加，he泡的颜色越深，对应最左侧的纵坐标可知，随着深度d的增加，体积减小；如图1所示中的第二层，表示的是随着深度d的增加，压力的变化情况，图中颜色有深浅变化的是he泡，随着深度d的增加，he泡中的颜色变深的区域增多，对应最左侧的纵坐标可知，随着深度d的增加，压力增大。
42.步骤301中，基于步骤二，w表面已粗糙化，吸附原子有序排列在原始表面上方一或两个外延层。然而，这些仅仅作为“绒毛”增长的主导机制是不够的。所以接下来研究了氦气泡的破裂会打开绒毛的生长机制的突破口。
43.步骤302中，当d＝3a0时，he泡破裂后体系达到稳定结构时，有289个吸附原子聚集在表面，29个w原子离开表面而成为被溅射出去。当d＝4a0时，除了303个吸附原子聚集在表面外，没有w原子离开表面即未发生溅射现象。
44.本发明通过对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。
45.需要说明的是，根据步骤三，可以推断出纳米结构的形成过程是这样的：在前一个he泡破裂后，随后的气泡会扩散到破裂引起的新凸起中(高温会加速这个热活动过程)。he泡通过气泡的聚结或辐照添加氦而不断长大，当达到临界压力或受到冲击时，又会再次破裂。破裂行为将进一步抬高凸起。这一过程不断重复，使凸起演变成纤维离开原来的表面，形成绒毛状结构。
46.因此，绒毛的生成既有非平衡热力学过程，也有动力学过程：非平衡热力学过程对he的扩散起着重要作用，促进he向表面聚集和迁移。一旦压力超过临界值或受到冲击，氦气泡就会破裂，进一步增加分支凸起。温度的升高可以增强表面扩散而强化这些细枝。
47.w表面的绒毛状结构可归结为he泡演化的两个过程：氦扩散+聚集、以及气泡膨胀+破裂。高温的存在加速了he在凸起表面下的扩散和聚集。一旦氦气泡破裂(无论是气泡压力超过临界值时的自发破裂，还是由于外部辐照而破裂)，表面凸起部分将进一步增长，而成为绒毛状结构的前驱体。he原子连续的聚集，随即破裂，构成了凸起部分生长的递归过程。步骤三中，he泡破裂存在两种情况，一种是he泡内部压强过大会破裂，另一种是辐照也会诱发he泡破裂。两种情况下对w基体表面形貌变化的影响相同。
48.特别的，本发明中提到的预测方法也可应用在mo中。
49.本实施例中，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。
50.本实施例中，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。
51.本实施例中，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。
52.本实施例中，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。
53.实际使用时，利用lammps软件选取三个he泡与表面凸起之间的深度不同的模型进行比较，如图3所示，有凸起的为w原子，圆形结构为he原子，a中的系统能量分别比b和c所示情况下的系统能量小28ev和23ev，由于w基体结构整体趋于能量最小状态，表明he泡确实被推进到表面凸起中。
54.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

技术特征：
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；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；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。2.根据权利要求1所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。3.根据权利要求1所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。4.根据权利要求1所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。5.根据权利要求1所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。

技术总结
本发明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。


技术研发人员：张伟伟 张文 梁静 常恬 白伟 辛甜 阚东晓 李建峰
受保护的技术使用者：西北有色金属研究院
技术研发日：2023.06.14
技术公布日：2023/9/12