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载能氢原子与单层石墨碰撞过程的分子动力学研究

李守阳  
【摘要】: 在高温热核聚变装置中,偏滤器发挥着不可替代的作用;同时,碳基材料因具有良好的热机械性能和低原子序数而作为国际热核聚变反应堆(ITER)中偏滤器的备选材料之一。但是碳基材料与氢原子(或氢同位素)反应产生的高化学腐蚀率和滞留问题,阻碍着其在燃烧聚变装置中应用。因此,碳基材料的化学腐蚀行为需要深入研究。 通常,轰击到偏滤器靶面的氢原子的能量范围在100 eV以下;在这一能量范围内,碳氢粒子间的碰撞反应不能应用Trim及其变体程序计算。目前,没有一种宏观的理论计算模型可以合理的解释低能量氢原子与碳基材料的化学腐蚀机理,另一方面,只有研究碳氢键的形成、断裂和键能变化才能解释化学腐蚀机理。Brenner等人建立了可以很好的描述金刚石的薄膜沉积过程的半经验键序势能函数。最近,人们采用Brenner势研究碳氢粒子间的化学腐蚀和氢(或其同位素)滞留。然而,到目前为止,关于碳基材料化学腐蚀的理论知识依旧很匮乏。为此,本人采用Brenner势,编写可以描述碳氢系统的分子动力学程序,深入研究了载量氢原子与单层石墨间碰撞过程。 论文的第一部分研究低能量氢原子与单层石墨晶体之间的碰撞过程。为了考虑石墨晶体的结构对碳氢原子间的碰撞过程,以及入射氢原子的入射位置及能量对碰撞过程的影响,在模拟中,选择石墨六角环上的三个对称点作为氢原子的初始入射位置(这三个点分别与能带理论中第一布里渊区的r,M,K三点对应)。氢与碳作用,会发生不同的碰撞过程:入射粒子或被吸附,或被反射,或被穿透。研究发现,入射氢原子的能量若小于0.35 eV,所有的氢原子均被单层石墨反射;若氢原子被碳靶原子吸附,形成碳氢键,那么邻近的碳碳键变长,键能降低了1.2 eV。 论文的第二部分研究了单空位缺陷对石墨层中碳氢粒子间碰撞的影响。将氢原子以不同能量分别向单空位缺陷边缘的两个碳原子轰击,分析入射氢原子的能量损失、发生吸附反应的能量范围和靶原子的能量传递过程。研究发现:单空位缺陷边缘的碳氢粒子更易发生吸附反应;在碳氢粒子正碰过程中,氢原子随入射能量的改变出现了双反射区域;碳氢粒子在空位缺陷边缘吸附后,形成了高结合能的sp2结构,其邻近的碳碳键能未降低;单空位缺陷边缘的碳原子吸附能量的能力强,但传递能量的能力弱。这些结果对理解聚变反应中碳材料的高化学腐蚀及氚滞留有重要意义。


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