初始離位原子能量對Fe 輻照損傷的分子動力學模擬研究

摘 要：在高能輻照環境下，核電站結構材料會產生內部缺陷，影響材料的服役性能。采用分子動力學方法模擬Fe 在輻照環境下的級聯碰撞過程和初始離位原子（ PKA） 能量對輻照損傷缺陷的影響。研究結果表明：Fe 的級聯碰撞過程分為三個階段，弗朗克爾（ Frenkel） 缺陷對數量到達峰值后發生缺陷復合，導致缺陷對數量迅速降低，并趨于穩定。隨著PKA 能量的增加，Frenkel 缺陷對在峰值和穩定狀態時的數量越多，并且缺陷復合率越高。同時，隨著PKA 能量的增加，間隙原子團簇和空位團簇的團簇尺寸越大，其對應的團簇數量越多。因此，通過模擬Fe 的輻照損傷過程，為高能輻照環境下材料的輻照損傷情況提供預測，對材料的服役壽命提供理論指導。

關鍵詞：Fe;輻照損傷;分子動力學;Frenkel 缺陷對;PKA 能量

中圖分類號：TL375. 6;TL75+ 2. 3 文獻標識碼：A

核反應堆作為核電站的核心結構部件，包括反應堆容器、堆芯結構件、主回路管道等結構，由于其服役環境惡劣，對其使用的材料提出了苛刻的要求，要求材料必須具備優異的力學性能、耐腐蝕性能、傳熱性能以及耐輻照性能[1-2] 。核反應堆結構材料在服役期間，不僅面臨著高溫、高壓、腐蝕、磨損等因素的影響，還面臨著輻照環境下高能粒子造成的輻照缺陷損傷問題，材料在高能粒子輻照下會產生空位、間隙原子、孔洞以及位錯環等損傷缺陷，嚴重影響材料的服役性能，是導致材料性能失效的主要原因。因此，結構材料的“輻照效應”是研究的重點[3-4] 。

“輻照效應” 是指結構材料在外部高能粒子（中子、γ 射線等）的輻照作用下，導致材料的宏觀性能降低[5] 。根本原因在于高能粒子沖擊碰撞材料內部的點陣原子，使得原子離開點陣位置，造成材料內部產生大量的點缺陷，導致材料的性能發生改變，這種微觀過程稱為“輻照損傷”[6] 。高能粒子與材料點陣原子的碰撞過程比較復雜，高能粒子直接碰撞出點陣位置的原子為初始離位原子（primary knock-on atom， PKA），PKA 繼續碰撞其他點陣位置上的原子，使其離位，形成級聯碰撞效應[7-8] 。級聯碰撞過程中，點缺陷密度到達峰值后，間隙原子和空位發生復合，導致點缺陷密度降低，這些點缺陷復合聚集在一起形成更為復雜的間隙原子團簇和空位團簇，間隙原子團簇則包括間隙型位錯環，空位團簇包括有空洞、空位型位錯環等，從而影響材料的服役性能[9-11] 。

分子動力學是一種原子尺度的模擬方法，主要用于模擬計算動力學、熱力學等方面的研究，是研究材料微觀機理變化的一種常用的研究方法，主要依靠牛頓運動定律模擬體系內的粒子運動，當原子的初始位置和速度確定之后，通過數值求解運動方程計算出模擬體系內在某一時刻各個粒子的運動狀態[12-13] 。即通過求解體系中每個粒子的運動方程，得到體系內任意粒子在不同時刻的位置和速度，從而推斷出模擬體系內粒子的微觀機理演化過程[14] 。