关键词：分子动力学、bcc-Fe、初级碰撞原子、缺陷
引言
随着社会的飞速发展，能源的需求量逐渐增加，但地球上的能源已经出现了短缺现象，以及生态破坏、环境污染等问题的出现，开发新能源已成为新的发展趋势，而新能源高利用率尤为重要。核能的开发以及利用已经引起了世界各国专家的关注，尤其是处在恶劣环境下的材料所受到的影响，所以材料的抗辐照性能决定了聚变堆的使用寿命。
在高温高压等恶劣的辐照环境下，选用抗辐照、使用寿命长的材料尤为重要，A508-Ⅲ是国产反应堆容器用钢，具有抗脆化性[1]。辐照脆化能够减少材料的使用寿命，影响脆化程度的因素有很多，如温度、材料中参杂杂质等。近年来，对于辐照材料的研究得到了广泛地发展。王[2]等人研究了空位浓度对bcc-Fe辐照损伤的影响；马[3]等人用分子动力学模拟了3C-SiC辐照诱发缺陷的演化。
本文利用分子动力学模拟方法，基于LAMMPS软件进行模拟，研究了不同能量的初级碰撞原子对bcc-Fe材料缺陷数量的影响，从而得到初级碰撞原子能量与缺陷数量之间的关系。
一．辐照损伤简介
点阵原子在受到具有能量的粒子撞击时，核反应将产生嬗变元素，所产生的缺陷和嬗变元素会引起材料宏观物理性质的变化，这种改变叫做辐照效应。辐照效应包括两个方面，辐照损伤和辐照改性。辐照损伤是粒子撞击材料产生的缺陷使材料性能发生改变。在粒子撞击材料到材料达到稳定状态的过程中，可分为两个阶段：1.初级过程：具有能量的粒子撞击材料时，入射原子会与材料原子产生弹性碰撞，入射原子会把其中一部分能量传递给被撞击的材料原子。这些被撞击的材料原子叫做初级碰撞原子，简PKA(primaryknock-onatom)。如图1所示。如果材料原子被带有能量的入射粒子击出，则被击出的材料原子叫做初级离位原子。2.次级过程：带有能量的初级离位原子可以使其他材料原子离位，从而形成耳机碰撞原子，而带有能量的耳机碰撞原子又可以使三级离位原子击出，如此延续，就形成了级联碰撞过程。
二.模型及模拟方法
本文利用分子动力学方法模拟bcc-Fe在不同初级能量原子的碰撞下产生位移级联过程，并运用可视化软件OVITO[4]直接观察其演化过程。本文采用F-S势函数[5]，对bcc-Fe在三维方向上进行堆垛，能量为700ev和1Kev模拟空间为25a0×25a0×25a0，2Kev模拟空间为40a0×40a0×40a0其中a0=0.287nm为晶格常数，初级碰撞原子向Z轴负方向进行碰撞，采用周期性边界条件，模拟体系温度为300k，时间步长选取1fs，初级碰撞原子能量分别选为700eV，1KeV，2KeV，分别对三个模型进行模拟，采用npt系综对体系进行弛豫，使得体系达到平衡状态。
三．模拟结果与讨论
3.1初级碰撞原子能量为700eV
在体系模型已经建立完全之后，对体系进行能量最小化弛豫，使体系达到稳定状态，图2和图3分别表示当初始碰撞原子能量为700ev时，体系温度为300k时初始平衡状态，各个原子会在其平衡位置振动，不会脱离其平衡位置。当给定初级碰撞原子700ev能量时，体系会发生位移级联现象而产生间隙原子和空位，图4表示体系在整个位移级联过程中，产生最大的空位和间隙原子时的状态，从图中可以看出存在许多间隙原子，通过可视化软件OVITO中W-S缺陷分析的到最大缺陷数目为45个；随着时间的推移，体系在退火过程中缺陷数量减小，逐渐趋于稳定状态，图5表示体系退火过程中最终所达到的稳定状态，其空位数和间隙原子数均为3个。最终状态的缺陷数目要比最大缺陷数目小得多。
图3初级碰撞原子能量为700ev，初始平衡状态三维立体图
图5初级碰撞原子能量为700ev，体系趋于稳定时x-y平面图
3.2初级碰撞原子能量为1KeV
当给定初级碰撞原子1Kev能量时，体系会发生位移级联现象而产生间隙原子和空位，图6表示体系在整个位移级联过程中，产生最大的空位和间隙原子时的状态，从图中可以看出存在许多间隙原子，通过可视化软件OVITO中W-S缺陷分析的到最大缺陷数目为75个；随着时间的推移，体系在退火过程中缺陷数量减小，逐渐趋于稳定状态，图7表示体系退火过程中最终所达到的稳定状态，其空位数和间隙原子数均为5个。最终状态的缺陷数目要比最大缺陷数目小得多。通过比较初级碰撞原子能量为700ev和1Kev时，产生最大缺陷数目相差较大，说明初级碰撞原子能量对其影响较大，比较最终状态缺陷数目，说明初级碰撞原子能量对其影响不大。
图6初级碰撞原子能量为1Kev，缺陷最大时x-y平面图
图7初级碰撞原子能量为1000ev，体系趋于稳定时x-y平面图
3.3初级碰撞原子能量为2Kev
由于初级碰撞原子能量较大，此模型采用40a0×40a0×40a0，在体系模型已经建立完全之后，对体系进行能量最小化弛豫，使体系达到稳定状态，图8和图9分别表示当初始碰撞原子能量为2Kev时，体系温度为300k时初始平衡状态，此时，各个原子会在其平衡位置振动，不会脱离其平衡位置。当给定初级碰撞原子1Kev能量时，体系会发生位移级联现象而产生间隙原子和空位，图10表示体系在整个位移级联过程中，产生最大的空位和间隙原子时的状态，从图中可以看出存在许多间隙原子，通过可视化软件OVITO中W-S缺陷分析的到最大缺陷数目为155个；随着时间的推移，体系在退火过程中缺陷数量减小，逐渐趋于稳定状态，图11表示体系退火过程中最终所达到的稳定状态，其空位数和间隙原子数均为9个。最终状态的缺陷数目要比最大缺陷数目小得多。通过比较初级碰撞原子能量为700ev、1Kev、2Kev时，产生最大缺陷数目相差较大，说明初级碰撞原子能量对其影响较大，比较最终状态缺陷数目，说明初级碰撞原子能量对其影响不大。
图9初级碰撞原子能量为2kev，初始平衡状态三维立体图
图11初级碰撞原子能量为2kev，体系趋于稳定时x-y平面图
四.结论
bcc-fe在受到辐照损伤时，能够产生位移级联从而使体系产生缺陷（空位、间隙原子）。用过对体系进行模拟研究，在温度为300k，初级碰撞原子能量为700ev时，利用W-S缺陷分析法得到最大缺陷数目为45个，最终缺陷数目为3个。初级碰撞原子能量为1Kev时，利用W-S缺陷分析法得到最大缺陷数目为75个，最终缺陷数目为5个。初级碰撞原子能量为2Kev时，利用W-S缺陷分析法得到最大缺陷数目为155个，最终缺陷数目为9个。通过比较以上数据得出，最大缺陷数目相差较大，说明初级碰撞原子能量对其影响较大，且随着初级碰撞原子能量的增加，最大缺陷数目逐渐增大；比较最终状态缺陷数目，说明初级碰撞原子能量对其影响不大。
五．参考文献
[1]李承亮,张明乾.压水堆核电站反应堆压力容器材料概述[J].材料导报,2008,22(9):65-68.
[2]王建伟,尚新春,吕国才.bcc-Fe空位浓度对辐照损伤影响的分子动力学模拟[J].材料工程,2011(10):15-18.
[3]马小强,袁大庆,夏海鸿,等.3C-SiC辐照诱发缺陷演化及温度效应分子动力学模拟[J].原子能科学技术,2016,50(2):219-226.
[4]StukowskiA.VisualizationandanalysisofatomisticsimulationdatawithOVITO-theOpenVisualizationTool[J].ModellingSimul.mater.sci.eng,2010,18(6):2154-2162.
[5]CALDERF,BACONDJ.Amoleculardynamicsstudyofdisplacementcascadeinα-Fe[J]．JournalofNuclearMaterials，1993，207(12)：25--45。
论文作者:刘瑞霖
论文发表刊物:《科技中国》2018年6期
论文发表时间:2018/8/10
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