液態(tài)PbBi合金中氧濃度的調(diào)控及對包層材料腐蝕的理論研究

液態(tài)PbBi合金中氧濃度的調(diào)控及對包層材料腐蝕的理論研究核裂變反應堆運行過程中會產(chǎn)生長壽命、高放射性的核廢料,而核廢料的處理對人類是一個重大挑戰(zhàn)。隨著加速器和反應堆技術的發(fā)展,人們提出了一種新的處理核廢料的策略：加速器驅(qū)動的次臨界系統(tǒng)(ADS)。它的核心是利用加速器產(chǎn)生高能強流質(zhì)子束,轟擊重金屬靶材(如鉛、鉛鉍合金)產(chǎn)生散裂中子作為外源中子驅(qū)動,對核廢料進行次臨界核反應。鉛鉍合金具有非常多的優(yōu)良特性,如熔點低、沸點高、導熱性能好、中子性能好、化學性質(zhì)穩(wěn)定,是鉛冷式快堆和加速器驅(qū)動的次臨界系統(tǒng)中冷卻劑和散裂靶材的候選材料。但是鉛鉍合金對它的包層材料(如鋼)具有嚴重的溶解腐蝕作用,因此如何提高包層材料的抗腐蝕性能在ADS的發(fā)展中是至關重要的科學問題。研究發(fā)現(xiàn)在鉛鉍合金中加入合適濃度的O后,能夠在很大程度上降低包層材料的溶解腐蝕。這是因為加入的氧會與包層材料反應表面形成了穩(wěn)定的氧化物薄膜將鋼與液態(tài)鉛鉍合金隔開。這種保護性的氧化層對合金中氧的濃度非常敏感。當合金中O濃度較低,包層材料表面無法形成保護性的氧化膜,濃度太高時,包層材料表面出現(xiàn)氧化腐蝕現(xiàn)象。因此,鉛鉍合金中的O濃度需要進行精確地測量和控制,而目前,這個問題依然沒有得到很好的解決。本文從原子尺度上研究鉛鉍合金中O濃度的控制以及鉛鉍合金對氧化層性能的影響。此外,我們還使用團簇動力學方法研究面向等離子體材料W表面在離子輻照條件下的缺陷演化行為。本論文一共分為六章。在第一章中,我們將介紹鉛鉍合金的微觀結(jié)構(gòu)、O濃度的控制方法、包層材料表面形成氧化層的結(jié)構(gòu),最后我們介紹幾種在核材料研究中使用到的多尺度模擬方法。在我們的研究中,需要對原子的短程有序性進行分析,因此,在第二章中,我們首先介紹分子動力學和徑向分布函數(shù)的計算。這一章還將對團簇動力學方法進行介紹。在團簇動力學的計算中,我們引入了一些新的參數(shù),如晶界、溫度梯度等,相應的計算細節(jié)和我們對該方法的發(fā)展也將在本章中做詳細介紹。最后對計算中使用的軟件包進行簡單介紹。從第三章開始介紹我們的研究工作。鉛鉍合金中O的微觀狀態(tài)對于探測O濃度至關重要,我們使用密度泛函理論研究了O的局域結(jié)構(gòu)、擴散過程。為了將鉛鉍合金中的O濃度控制在合適的區(qū)間中,H會作為控O元素加入到液態(tài)合金中。類似于O,我們研究了H在鉛鉍合金中的短程有序性和溫度效應。同時,我們還研究了合金中H與O之間的反應過程,并對平衡條件下的濃度進行了理論預測,這對實驗上控制O的濃度具有指導意義。在第四章中,我們研究了液態(tài)鉛鉍合金與氧化層之間的相互作用。計算表明,鉛原子更傾向于吸附在氧化層的表面,并且吸附之后會促進表面Fe原子的溶解。此外,鉛原子和鉍原子能夠促進氧化層中空位和間隙原子的形成,這對氧化層長期的保護性能有不利影響。最后,我們發(fā)現(xiàn)Cr能夠抑制氧化層中空位的形成,并且會阻礙Fe原子在氧化層中的擴散,因此Cr有助于提高氧化層的抗腐蝕性能。在第五章中,我們使用團簇動力學方法對鎢表面存在晶界和溫度梯度時,氘濃度的演化進行了理論研究。研究結(jié)果表明,當晶界寬度小于3nm時,能夠抑制氘向鎢內(nèi)部的擴散,而當晶界寬度大于3nm時,就可能作為氘的聚集中心。當鎢表面存在溫度梯度時,我們