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《山东大学》 2017年
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杂质原子H/He/C/N/O在金属钒及其合金中行为的第一性原理研究

华娟  
【摘要】:能源短缺是制约人类社会发展的最重要因素之一,寻找新型替代能源是当前的主要任务。核聚变能由于其清洁、安全等优点成为将来最可能的替代能源。在聚变反应中,结构材料选择尤为关键。氘-氚聚变反应产生的高能中子辐照轰击结构材料发生嬗变反应,产生大量的氢(H)和氦(He)等杂质,这些杂质严重影响材料的结构,导致其物理、化学性质发生变化,并影响其使用寿命。钒(V)作为典型的低活化金属,是核聚变装置中结构材料的候选者。实验表明,H、He、C、N以及O等杂质会对V的性能产生极大的影响,为了提高V在高温、高辐射下的性能,通过添加合金化元素钛(Ti)和铬(Cr)可以明显改善其性能。因此,研究嬗变产物和杂质以及合金化元素Ti和Cr对V的结构和性能的影响对于结构材料的选择具有重要的意义。在本文中,我们应用第一性原理方法,系统研究了嬗变产物(H,He)和外来杂质(C,N)在V中的行为;合金化元素Ti和Cr对其在V中溶解性能的影响以及杂质C对N/He/O在V中行为的影响。我们研究了合金化元素Ti对V中H/He行为的影响。结果表明:(i)在无缺陷V-Ti合金中,单个H原子易于占据T-site;(ii)H原子倾向于在空位聚集,且单个空位能够捕获3个H原子;(iii)Ti的出现可以增大H在V中的形成能,从而减少空位对H的捕获数量,即添加合金化元素Ti可以抑制H在V中的溶解,从而可以提高V作为结构材料的性能;(iv)Ti的存在增加本征V中He团簇以及He与空位之间的形成能,表明Ti能够抑制He自身以及在空位中聚集成泡;(v)在合金化元素Ti附近,He与Hen-1-vacm小团簇之间存在吸引力,对于给定的m值,间隙位He原子与小团簇之间的相互作用随He原子数目的增加而减小;对于给定的n值,间隙位He原子与小团簇之间的相互作用随着空位数目的增多而变大,这表明Hen-vacm团簇附近的应力来源于多个He原子的聚集。我们研究了 V中杂质C的存在对N、He和O杂质行为的影响。杂质C和N倾向占据O-site;相比之下,杂质N的形成能更低一些。对于2个杂质原子的情况,C-C、C-N和N-N分别占据两个相邻的O-site并沿着111方向成对。存在空位时,杂质C和N原子均不占据空位中心,而是倾向于占据空位附近的O-site,原因在于杂质原子易与基体V原子形成碳化钒或氮化钒。当V中杂质C和He同时存在时,C-He之间的距离为2.39 A时溶解能最低,为3.05 eV;当C-He之间的距离小于2.39 A时,C-He之间存在排斥作用,使得He原子趋向于远离C原子。当V中存在空位时,C-vac小团簇易于俘获He原子形成C-vac-Hen团簇,其中第一个He原子最稳定的位置距离空位0.92 A。随着He原子数目的增加,C-vac-Hen团簇局部应力增加将挤走附近的V原子,形成一个弗兰克尔(Frankel)缺陷对并释放应力,从而能够俘获更多的He原子形成更大的C-vac-Hen团簇。当V中存在空位时,单个空位最多能容纳2个O原子,最稳定的构型为2个O原子分别位于两个近邻的O-site附近(距离空位中心约1.37A),它们沿着100方向排列。当杂质C原子存在时,vac+C小团簇对O原子的俘获能为-0.899 eV,低于单个空位对O的俘获能。最后我们研究了 V-Cr二元合金中合金化元素Cr对H/He稳定性的影响。合金化元素Cr的存在可以增加H和He在V中的溶解能。当V-Cr合金中存在空位缺陷时,单空位最多可以捕获4个H原子;而在本征V中,单空位可以捕获6个H原子;当V-Cr合金中存在空位缺陷时,He原子倾向于占据Cr附近的O-site,已存在的He-vac小团簇将俘获6个H原子。本论文应用第一性原理方法研究了合金化元素Ti和Cr对杂质H、He、C、N以及O在金属V中行为的影响,这些结果将为核聚变结构材料的选择和制备提供必要的理论依据。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TG146.413

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