固體所在輻照效應模擬軟件開發與納米晶材料輻照損傷累積機製研究方麵取得新進展

近期 ，中科院合肥研究院固體所劉長鬆研究員課題組在輻照效應模擬軟件開發與納米晶材料輻照損傷累積機製研究方麵取得新進展 ，開發了一套納米晶金屬累積離位損傷模擬軟件（“納米晶金屬累積離位損傷iOKMC模擬軟件”） ，並以之登記軟件著作權一項（登記號 ：2020SR1617986） ，授權發明專利一項（專利號 ：ZL201910276042.0） 。利用該軟件 ，課題組成員對鐵基納米結構材料中離位損傷累積機製開展了係列研究 ，相關成果以“Radiation damage accumulation mechanisms at iron grain boundaries revealed by coupled atomic and coarse-grained simulations via the parameter-passing and structural feedback”為題發表於核科學技術領域Top期刊Journal of Nuclear Materials (J. Nucl. Mater., 572, 154092(2022) ) 。李祥豔副研究員和博士生李小林為文章的共同第一作者 ，吳學邦研究員為共同通訊作者 。作為先進核反應堆（如聚變堆）中的候選結構材料 ，鐵在服役環境下會遭受高能粒子（如中子）的轟擊 ，從而產生大量離位損傷 ，包括空位和自間隙原子 。這些離位缺陷以及相應的團簇使得材料性能降級甚至失效 ，製約著反應堆地安全穩定運行 。前期的研究表明 ，納米結構材料 ，尤其是納米晶材料具備良好的抗輻照性能 。這得益於此類材料中大量的晶界能夠捕獲輻照缺陷並促進其複合 ，從而降低材料基體中輻照損傷的累積 。

以往的多尺度模擬在揭示缺陷與界麵相互作用的微觀機理時 ，往往隻關注到基本的原子過程 ，如擴散 、偏聚 、複合等 。然而 ，在實際的服役條件下 ，納米晶金屬往往需要承受一定劑量的累積輻照 。如果僅僅將基本的原子過程參數化 ，然後傳遞到粗粒化模擬技術中（如實體動力學蒙特卡洛 ，object kinetic Monte Carlo, OKMC） ，會由於該類技術忽略了具體的原子結構信息 ，無法獲取離位損傷累積到一定程度後可能帶來的新的物理過程 ，從而使得較高輻照劑量下的微結構演化預測失效 。鑒於此 ，科研人員開發了一種既能達到實驗劑量率和輻照劑量 ，又能根據劑量補充 、校正已有原子過程的模擬技術 ，即所謂迭代的實體動力學蒙特卡洛模擬技術（iOKMC ，圖1） 。

利用該技術 ，固體所科研人員對鐵晶界中輻照缺陷的累積機製進行了探究 ，重點關注不同輻照條件下納米晶鐵中離位損傷的累積和演化 ，尤其是低溫下晶界中的間隙加載及其引起的一係列晶界輻照功能圖譜的變化 。研究發現 ：（1）在較高的輻照溫度或較低的劑量率條件下 ，晶界可有效地俘獲空位和自間隙原子並促進其複合 ，降低輻照缺陷在晶粒內部的累積 ，從而達到修複輻照損傷的效果（圖2） ；（2）在較高的劑量率或較低的溫度下 ，隨著輻照地進行 ，空位滯留在晶粒內部 ，而間隙原子不斷在晶界累積（圖2） ；（3）當間隙累積到一定濃度時 ，在晶界弛豫過程中 ，部分間隙消失並伴隨新的晶界結構相形成 。隨著輻照劑量增加 ，間隙持續累積 ，伴隨著晶界的局部運動 ，其逐漸回複到接近初始的狀態（圖3） ；（4）在間隙累積過程中 ，晶界的功能從捕獲空位到湮滅空位發生了交替演變（圖4） ；（5）將上述新的原子過程重新參數化並納入到原有的OKMC模型中 ，發現晶界間隙濃度和晶界附近空位濃度出現了“增加-降低”交替變化的趨勢 ，這不同於原始的模擬結果（圖5） 。該研究工作為探索實際累積輻照條件下輻照缺陷與晶界動態相互作用機理提供了跨尺度的圖像 ，為進一步基於晶界工程優化多晶材料的抗輻照損傷性能提供了機理參考 。

上述工作得到了國家重點研發計劃 、國家自然科學基金以及合肥研究院院長基金的支持 。

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圖1. 模擬納米晶鐵中輻照缺陷微結構演化的迭代方法示意圖 。綠色方塊和紅色圓圈分別代表空位和自間隙原子 。

圖2. (a-i) 塊體和晶界中間隙/空位累積濃度隨輻照劑量的變化 ；(j-m) 塊體中空位濃度隨空位-晶界距離的變化 。

圖3. 不同輻照劑量下弛豫後的晶界結構 。

圖4. (a) 不同輻照劑量下幾個晶界體係中空位形成能的累積分布函數 ，符號Reg1 、Reg2和Reg3分別表示具有不同位點穩定性的三個區間 ，此穩定性由該位點空位形成能表征 ；(b) 不同區間其相應位點密度隨輻照劑量的變化 。

圖5. 晶界處間隙濃度（左軸）和晶界附近空位濃度（右軸）隨輻照劑量的變化 。