初始离位原子能量对Fe 辐照损伤的分子动力学模拟研究

摘 要：在高能辐照环境下，核电站结构材料会产生内部缺陷，影响材料的服役性能。采用分子动力学方法模拟Fe 在辐照环境下的级联碰撞过程和初始离位原子（ PKA） 能量对辐照损伤缺陷的影响。研究结果表明：Fe 的级联碰撞过程分为三个阶段，弗朗克尔（ Frenkel） 缺陷对数量到达峰值后发生缺陷复合，导致缺陷对数量迅速降低，并趋于稳定。随着PKA 能量的增加，Frenkel 缺陷对在峰值和稳定状态时的数量越多，并且缺陷复合率越高。同时，随着PKA 能量的增加，间隙原子团簇和空位团簇的团簇尺寸越大，其对应的团簇数量越多。因此，通过模拟Fe 的辐照损伤过程，为高能辐照环境下材料的辐照损伤情况提供预测，对材料的服役寿命提供理论指导。

关键词：Fe;辐照损伤;分子动力学;Frenkel 缺陷对;PKA 能量

中图分类号：TL375. 6;TL75+ 2. 3 文献标识码：A

核反应堆作为核电站的核心结构部件，包括反应堆容器、堆芯结构件、主回路管道等结构，由于其服役环境恶劣，对其使用的材料提出了苛刻的要求，要求材料必须具备优异的力学性能、耐腐蚀性能、传热性能以及耐辐照性能[1-2] 。核反应堆结构材料在服役期间，不仅面临着高温、高压、腐蚀、磨损等因素的影响，还面临着辐照环境下高能粒子造成的辐照缺陷损伤问题，材料在高能粒子辐照下会产生空位、间隙原子、孔洞以及位错环等损伤缺陷，严重影响材料的服役性能，是导致材料性能失效的主要原因。因此，结构材料的“辐照效应”是研究的重点[3-4] 。

“辐照效应” 是指结构材料在外部高能粒子（中子、γ 射线等）的辐照作用下，导致材料的宏观性能降低[5] 。根本原因在于高能粒子冲击碰撞材料内部的点阵原子，使得原子离开点阵位置，造成材料内部产生大量的点缺陷，导致材料的性能发生改变，这种微观过程称为“辐照损伤”[6] 。高能粒子与材料点阵原子的碰撞过程比较复杂，高能粒子直接碰撞出点阵位置的原子为初始离位原子（primary knock-on atom， PKA），PKA 继续碰撞其他点阵位置上的原子，使其离位，形成级联碰撞效应[7-8] 。级联碰撞过程中，点缺陷密度到达峰值后，间隙原子和空位发生复合，导致点缺陷密度降低，这些点缺陷复合聚集在一起形成更为复杂的间隙原子团簇和空位团簇，间隙原子团簇则包括间隙型位错环，空位团簇包括有空洞、空位型位错环等，从而影响材料的服役性能[9-11] 。

分子动力学是一种原子尺度的模拟方法，主要用于模拟计算动力学、热力学等方面的研究，是研究材料微观机理变化的一种常用的研究方法，主要依靠牛顿运动定律模拟体系内的粒子运动，当原子的初始位置和速度确定之后，通过数值求解运动方程计算出模拟体系内在某一时刻各个粒子的运动状态[12-13] 。即通过求解体系中每个粒子的运动方程，得到体系内任意粒子在不同时刻的位置和速度，从而推断出模拟体系内粒子的微观机理演化过程[14] 。