盧 勇，王翠萍，李林陽(yáng)，賈建平，劉興軍

(1.廈門大學(xué)材料學(xué)院，福建廈門361005) (2.表面物理與化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川綿陽(yáng)621907)

材料基因工程與核燃料元件材料

盧 勇1，王翠萍1，李林陽(yáng)1，賈建平2，劉興軍1

(1.廈門大學(xué)材料學(xué)院，福建廈門361005) (2.表面物理與化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川綿陽(yáng)621907)

核能由于其高能量密度和低污染排放等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為未來能源的重要組成部分。然而，民用核燃料材料因其特殊的放射性，實(shí)驗(yàn)研究的安全防護(hù)成本極高，尤其是經(jīng)過輻照后的核燃料材料，分析和表征手段極其有限，如果采用傳統(tǒng)的“試錯(cuò)法”材料研發(fā)方法，將會(huì)使材料的研發(fā)成本大幅提高，因此，材料基因工程的研究思路正是適合于新型民用核燃料材料研究的技術(shù)路線。本研究組多年來以開發(fā)新型民用核燃料元件材料為目標(biāo)，通過第一性原理和CALPHAD技術(shù)的結(jié)合，先后建立了U、Pu等錒系元素的多組元熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，并建立了輻照?qǐng)鲎饔孟碌臒崃W(xué)模型，對(duì)輻照?qǐng)鲎饔孟潞巳剂喜牧系南嘧儫崃W(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了深入研究，在熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用相場(chǎng)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)核燃料元件材料的凝固和時(shí)效過程組織演化規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。這種基于材料基因工程的多尺度、多組元的材料設(shè)計(jì)研發(fā)思路為我國(guó)新一代具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的民用核燃料元件材料的成分設(shè)計(jì)、組織控制、工藝優(yōu)化、性能改善及服役時(shí)間預(yù)測(cè)提供了重要的理論基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)材料基因工程方法在材料開發(fā)中的廣泛應(yīng)用具有重要意義。

材料基因工程；核燃料元件材料；材料設(shè)計(jì)；CALPHAD；相場(chǎng)法

1 前 言

核燃料元件的安全性是核反應(yīng)堆高效率、安全運(yùn)行的重要保證。然而，目前核燃料元件材料仍然有許多問題，即使在核能源技術(shù)發(fā)達(dá)的歐洲與日本也經(jīng)常由于其可靠性造成核反應(yīng)堆的核燃料元件的壽命降低、嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成核泄漏。

目前，核能的產(chǎn)生和應(yīng)用，基本上是依靠含鈾的核燃料。由于世界上廣泛應(yīng)用的UO2-Zr類型的輕水堆核燃料存在熱導(dǎo)率不高，以及事故狀態(tài)下鋯水反應(yīng)導(dǎo)致的氫爆問題[1]，促使核燃料材料有了升級(jí)換代的強(qiáng)烈驅(qū)動(dòng)。新型核燃料元件材料的研發(fā)不僅涉及傳統(tǒng)材料中元素、成分、相組成和組織的設(shè)計(jì)，還涉及到材料在高溫高壓、輻照腫脹和應(yīng)力腐蝕等條件下的材料整體性能的穩(wěn)定性和安全性，因而傳統(tǒng)材料研發(fā)思路對(duì)于核燃料元件來說并不適用。

相對(duì)于傳統(tǒng)材料，核材料的實(shí)驗(yàn)信息比較匱乏，公開的可以利用的實(shí)驗(yàn)信息極少，那么核燃料元件材料的設(shè)計(jì)過程中可以參照的有價(jià)值的信息也就大打折扣了。基于材料基因工程理念的材料設(shè)計(jì)方法包含了材料基因數(shù)據(jù)庫(kù)、高通量的材料設(shè)計(jì)、制備和檢測(cè)方法和多尺度的材料計(jì)算方法。材料基因組計(jì)劃能將現(xiàn)有成熟的、運(yùn)用于材料性能預(yù)測(cè)和材料行為模擬的各種模型和算法無縫接合到現(xiàn)有的材料產(chǎn)品設(shè)計(jì)中[2]。材料基因組計(jì)劃的材料研發(fā)思路將大大促進(jìn)先進(jìn)核燃料、核結(jié)構(gòu)材料的研發(fā)效率，節(jié)省材料研發(fā)成本，降低核材料研發(fā)過程中的環(huán)境污染。

本文將以本研究組在金屬型核燃料材料數(shù)據(jù)庫(kù)和多尺度設(shè)計(jì)方面的研究為例，介紹面向核燃料元件材料的材料基因工程研究方法。

2 核燃料元件材料的材料基因工程研究方法

隨著新一輪國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“材料基因工程關(guān)鍵技術(shù)與支撐平臺(tái)”的實(shí)施，面向核燃料元件材料的材料基因工程研究給新一代事故容錯(cuò)型核燃料和核結(jié)構(gòu)材料的研發(fā)提供了重要的機(jī)遇。然而，材料基因工程所涉及的材料“基因”數(shù)據(jù)庫(kù)，高通量計(jì)算、實(shí)驗(yàn)和表征手段在核燃料元件材料的研發(fā)方面還面臨著重大的挑戰(zhàn)，目前國(guó)內(nèi)對(duì)于核燃料元件的研究工作在實(shí)驗(yàn)和計(jì)算方面的協(xié)作還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)方面的研究還比較少，在這種情況下，利用現(xiàn)有的理論手段，實(shí)現(xiàn)核燃料元件材料的基礎(chǔ)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和物性數(shù)據(jù)庫(kù)的研發(fā)，并結(jié)合多尺度材料設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)核燃料元件材料成分、組織、結(jié)構(gòu)和性能的預(yù)測(cè)就非常有必要[3]。

相較陶瓷性核燃料來說，金屬型核燃料的設(shè)計(jì)通常添加合金化元素，因此，核燃料的設(shè)計(jì)要考慮到成分、相組成和微觀結(jié)構(gòu)等燃料本身的因素以及包殼材料對(duì)整個(gè)核燃料元件性能和安全性的影響。例如，對(duì)于鈾基金屬型核燃料來說，燃料通常在α相是平衡相的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。然而，α相(斜方晶結(jié)構(gòu))最重要的輻照特性是它的自身尺寸不穩(wěn)定性，由斜方晶結(jié)構(gòu)的各向異性引起腫脹，導(dǎo)致核燃料尺寸不穩(wěn)定[4]。此外，由于包殼與核燃料間存在著機(jī)械的或化學(xué)的相互作用，導(dǎo)致包殼破損的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。核燃料－包殼化學(xué)相互作用的本質(zhì)是一個(gè)復(fù)雜的多組元相互擴(kuò)散的問題。例如，U-Pu-Zr作為核燃料時(shí)，當(dāng)U-Pu-Zr被輻照后發(fā)生腫脹并接觸包殼，包殼中的Ni和Fe容易擴(kuò)散到核燃料中，在包殼與核燃料相鄰處發(fā)生相變，將易形成脆性相或低熔點(diǎn)相[5]。一旦燃料與包殼界面處的溫度超過低熔點(diǎn)相的熔點(diǎn)時(shí)，由于液態(tài)物質(zhì)的滲透會(huì)引起包殼破壞，限制了燃料元件在反應(yīng)堆中的使用壽命。

對(duì)于金屬型核燃料元件材料來說，材料基因工程的的實(shí)施方案可以采用如圖1所示的框架圖來實(shí)施。首先基于高通量實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算，采用CALPHAD方法和第一性原理方法建立核燃料和核結(jié)構(gòu)材料的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)、物性和輻照性能數(shù)據(jù)庫(kù)，在此基礎(chǔ)上，通過第一性原理方法、分子動(dòng)力學(xué)、相圖計(jì)算、相場(chǎng)動(dòng)力學(xué)和有限元等多尺度材料模擬計(jì)算方法的集成，實(shí)現(xiàn)對(duì)核燃料元件材料成分、組織、結(jié)構(gòu)和性能的預(yù)測(cè)。

圖1 面向核燃料元件材料的材料基因工程研究方法Fig.1 Methodology of MGI for nuclear fuel element materials

3 核燃料元件材料的多尺度材料設(shè)計(jì)

近年來本研究組通過收集和整理國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道的有關(guān)核燃料體系的實(shí)驗(yàn)相平衡和熱力學(xué)性質(zhì)的信息，利用CALPHAD計(jì)算相圖方法，較為系統(tǒng)地優(yōu)化計(jì)算了鈾、钚、釷基核燃料和Fe、Zr基包殼材料體系的熱力學(xué)性質(zhì)，建立了多組元核燃料的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，系統(tǒng)地探索了相圖計(jì)算在核材料設(shè)計(jì)中的應(yīng)用?；跓崃W(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，開展了輻照條件下相穩(wěn)定性的和相平衡的研究，逐步開展了部分重要的鈾基二元系在輻照條件下的相圖計(jì)算，進(jìn)行了凝固過程和時(shí)效過程的微觀組織演化的組織模擬，完善了核燃料元件材料從成分到組織的多尺度材料設(shè)計(jì)方法。

3.1 核燃料元件材料的第一性原理和分子動(dòng)力學(xué)的計(jì)算

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用第一性原理和分子動(dòng)力學(xué)方法對(duì)核燃料和包殼材料開展了大量的研究工作。這對(duì)于開展核燃料元件材料的多尺度設(shè)計(jì)具有重要的意義。

對(duì)于目前應(yīng)用的鈾基核燃料來說，國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍采用局域密度近似＋U(LDA＋U)或廣義梯度近似＋U (GGA＋U)方法計(jì)算體系的總能量和電子結(jié)構(gòu)，進(jìn)而計(jì)算出結(jié)合能、生成能、相變熱等熱力學(xué)參量[6－9]。對(duì)于核燃料來說，實(shí)驗(yàn)報(bào)道的熱力學(xué)和物性數(shù)據(jù)有限，采用第一性原理進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，可以為后續(xù)的熱力學(xué)優(yōu)化和成分設(shè)計(jì)提供有效的數(shù)據(jù)支撐[10]。除此之外，第一性原理方法可以開展裂變產(chǎn)物[11，12]、輻照缺陷[13，14]等的研究。基于分子動(dòng)力學(xué)的核燃料和包殼材料的研究主要集中于包括熱膨脹、熱熔和熱導(dǎo)率的熱物性計(jì)算[15，16]，以及對(duì)輻照損傷[17，18]、裂變產(chǎn)物的形核和擴(kuò)散[19]等的研究。

3.2 核燃料元件材料熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

利用國(guó)內(nèi)外到目前為止所積累的有關(guān)核燃料材料的熱力學(xué)性能及實(shí)驗(yàn)相圖的信息，本研究組對(duì)核燃料元件材料開展相圖的熱力學(xué)計(jì)算并建立熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，預(yù)測(cè)在不同溫度下的相平衡與相變、各種熱力學(xué)性能等，為核燃料元件材料的研發(fā)提供重要的基礎(chǔ)理論積累。本研究組在收集本實(shí)驗(yàn)室所建立的相關(guān)熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，綜合國(guó)際國(guó)內(nèi)所發(fā)表的相關(guān)熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果，目前，初步建立了由核燃料元件材料中常用元素(U，Pu，Th，Al，B，C，Co，Cr，Cu，F(xiàn)e，Mg，Mn，Mo，Nb，Ni，O，Pb，Re，Ru，Si，Sn，Ti，V，W，Zr等)組成的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)[20－36]，如表1所示。其中代表本實(shí)驗(yàn)室完成的體系；代表的是其他實(shí)驗(yàn)室完成的體系；代表未完成的體系。

表1 核材料二元熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)信息Table 1 Information of binary thermodynamic database of nuclear materials

已完成的三元核燃料材料體系主要有:U-Al-Co、U-Al-Ga、U-Al-Mo、U-Al-Zr、U-B-Cr、U-B-Fe、U-B-Mo、U-B-W、U-C-Al、U-C-B、U-C-Fe、U-C-Si、U-Cr-Nb、U-Fe-Co、U-Mo-Cr、U-Mo-Nb、U-Mo-Ti、U-Mo-V、U-Mo-W、U-Mo-Zr、U-Pu-Cr、U-Pu-Mg、U-Pu-Nb、U-Pu-O、U-Si-Fe、U-Si-Mo、U-Si-Nb、U-Si-Ti、U-Th-Cr、U-Th-Cu、U-Th-Mg、U-Th-Mn、U-Th-Nb、U-Th-O、U-Th-Pu、U-Th-Zr、U-Ti-Zr、Pu-C-Cr、Pu-C-Mo、Pu-C-Nb、Pu-Zr-Ti、Th-Co-Fe、Th-Ti-Zr。其余交叉的二元和三元系均采用最新的文獻(xiàn)報(bào)道的數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)覆蓋面廣，所含信息量巨大，將在核燃料材料的研發(fā)以及核反應(yīng)堆的安全運(yùn)行等方面提供一定的理論依據(jù)。

3.3 核燃料元件材料熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)在核燃料設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

利用本研究組所建立的核燃料元件材料熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，可以計(jì)算各個(gè)二元系、三元系以及多元系的穩(wěn)態(tài)及亞穩(wěn)相平衡、液相面、各種極端條件下的相平衡(如:極高溫度、極低溫度、氣體狀態(tài)等)、各種熱力學(xué)性質(zhì)(如:Gibbs自由能、形成焓、形成熵、活度、相變驅(qū)動(dòng)力、熱容等)等，同時(shí)可以進(jìn)行平衡狀態(tài)下相分?jǐn)?shù)和體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算，平衡和非平衡過程組織凝固的模擬等。

U-Mo合金燃料具有鈾密度更高、γ相穩(wěn)定、輻照性能優(yōu)良和后處理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，已成為RERTR計(jì)劃開發(fā)低濃鈾燃料的熱點(diǎn)，目前是研究試驗(yàn)堆用燃料的重要發(fā)展方向[37]。通過添加合金元素，提高U-Mo合金γ相的穩(wěn)定性是一種常用的方法，借助熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，可以對(duì)合金化元素的種類和含量進(jìn)行設(shè)計(jì)。

從熱力學(xué)的角度來說，為了能獲得更穩(wěn)定的bcc相結(jié)構(gòu)的γU相，合金化元素必須要與U或Mo形成較大的穩(wěn)定bcc相區(qū)，根據(jù)熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)的篩選可知，滿足條件的元素有:Cr，Nb，Ti，V和Zr等。借助相圖計(jì)算方法，可以研究這5種bcc相穩(wěn)定化元素對(duì)U-Mo合金中γU相相區(qū)的影響。例如，Cr雖然可以和Mo形成穩(wěn)定的bcc相，但U-Cr-Mo合金的γU相的單相區(qū)比U-Mo合金的小，當(dāng)Cr的添加量為5 at%時(shí)，γU單相消失，因此Cr的添加，無法起到穩(wěn)定γU相的作用。添加Nb，γU單相范圍稍微減小，但總體較穩(wěn)定，當(dāng)Nb含量達(dá)到10 at%時(shí)，γU相仍穩(wěn)定存在。因此，Nb的添加一定程度上可起到穩(wěn)定γU相的作用。Ti元素的少量添加一定程度上可起到穩(wěn)定γU相的作用，當(dāng)添加量大于5 at%時(shí)，會(huì)引起bcc相區(qū)的縮小。V的添加量達(dá)到5 at%，γU單相幾乎消失，因此V的添加，可能無法起到穩(wěn)定γU相的作用。Zr可以和U形成穩(wěn)定的bcc相，可起到bcc相穩(wěn)定化作用，是金屬燃料的常用添加元素之一，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，Zr的添加可起到很好的穩(wěn)定γU相的作用。

此外，運(yùn)用熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)也可以研究Th、Pu等核元素對(duì)U-Mo基金屬燃料的影響。例如，通過計(jì)算可知，當(dāng)U-Mo合金中添加少量的Th時(shí)，會(huì)使U-Mo合金中穩(wěn)定的bcc(γU)轉(zhuǎn)化為bcc(γU)＋fcc(αTh)兩相平衡，隨著Th含量的增加，bcc(γU)＋fcc(αTh)兩相區(qū)范圍不斷擴(kuò)大，不利于燃料組織的穩(wěn)定性。因此Th的添加無法起到穩(wěn)定γU相的作用。當(dāng)U-Mo合金中添加少量的Pu時(shí)，會(huì)降低bcc(γU)的熔點(diǎn)，但和Th相比，Pu的添加對(duì)bcc(γU)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Th的影響。因此，若采用Pu替代部分的U進(jìn)行燃料設(shè)計(jì)時(shí)，需要控制Pu的添加量。

3.4 輻照條件下材料熱力學(xué)穩(wěn)定性的研究

核燃料的服役過程中會(huì)受到輻照的影響，合金體系中的相平衡關(guān)系也會(huì)隨之改變，此時(shí)的熱力學(xué)平衡相圖將不再適用于輻照過程中相穩(wěn)定性的研究?；贛artin等人提出的輻照條件下有效自由能模型[38]，結(jié)合平衡相圖熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輻照條件下相穩(wěn)定性的預(yù)測(cè)?；诒緦?shí)驗(yàn)室優(yōu)化的最新U-X(X:Nb，Zr)二元合金系的熱力學(xué)參數(shù)，結(jié)合計(jì)算輻照條件下平衡相圖的有效自由能模型[38]，首次計(jì)算了輻照條件下U-Nb合金和U-Zr合金的平衡相圖，分析了不同輻照條件對(duì)其擴(kuò)散系數(shù)、自由能及平衡相圖的影響[20]。U-Nb二元系輻照下的相圖如圖2所示，在高溫區(qū)，輻照下平衡相圖的相平衡關(guān)系與熱力學(xué)平衡相圖基本保持一致，γ(U，Nb)相依然發(fā)生相分離，形成富U和富Nb相，即γ (U，Nb)→γ1＋γ2；而在低溫區(qū)，由于輻照的影響，γ (U，Nb)相的溶解度間隙由原來的開口狀逐漸變成一個(gè)封閉區(qū)域，并發(fā)生了αU＋γ2?γ(U，Nb)和γ1＋γ2?γ(U，Nb)相變反應(yīng)，形成了連續(xù)固溶的γ(U，Nb)相。U-Zr二元系輻照下的相圖如圖3所示，在高溫區(qū)，輻照下平衡相圖的相平衡關(guān)系與熱力學(xué)平衡相圖基本保持一致，γ(U，Zr)相依然發(fā)生相分離，形成富U和富Zr相，即γ(U，Zr)→γ1＋γ2；而在低溫區(qū)，由于輻照的影響，發(fā)生了δ?γ(U，Zr)＋α(U)和δ＋α(Zr)?γ(U，Zr)相變反應(yīng)，從而形成了連續(xù)固溶的γ(U，Zr)相。

圖2 U-Nb二元系輻照下的相圖與熱力學(xué)平衡相圖的比較[20]Fig.2 Comparison of phase diagram under irradiation of U-Nb binary system with thermodynamic equilibrium phase diagram[20]

圖3 U-Zr二元系輻照下的相圖與熱力學(xué)平衡相圖的比較[20]Fig.3 Comparison of phase diagram under irradiation of U-Zr binary system with thermodynamic equilibrium phase diagram[20]

該研究結(jié)果從熱力學(xué)角度很好地解釋了Bleiberg等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，即在輻照條件下，原本在高溫條件下穩(wěn)定的γ相可以在低溫穩(wěn)定存在[39]。

3.5 凝固和時(shí)效過程的組織演化模擬

核燃料元件的微觀組織對(duì)其本身的力學(xué)性質(zhì)、抗輻照性能以及高燃耗條件下的失效行為有非常重要的影響，對(duì)于材料的微觀組織設(shè)計(jì)也是材料基因工程的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。目前，對(duì)微觀組織演化過程的模擬主要通過相場(chǎng)動(dòng)力學(xué)來實(shí)現(xiàn)[40]?；诓牧蠠崃W(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)可對(duì)核燃料及核結(jié)構(gòu)材料的微觀組織演化進(jìn)行模擬，從而實(shí)現(xiàn)組織和工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)。本研究組通過耦合溫度場(chǎng)、彈性應(yīng)力場(chǎng)和濃度場(chǎng)建立相場(chǎng)動(dòng)力學(xué)模型[41－44]，基于熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)U-Nb合金凝固組織和時(shí)效組織的演化過程進(jìn)行模擬，揭示其在不同工藝條件下的組織演變規(guī)律。

引入最新熱力學(xué)數(shù)據(jù)，模擬了U-Nb合金在不同凝固條件下的組織演變過程。首先，模擬了在等溫凝固條件下，U-Nb二元合金的組織演變過程，如圖4a所示。獲得了典型的枝晶形貌，重現(xiàn)了合金凝固過程中枝晶臂間相互碰撞、競(jìng)爭(zhēng)的生長(zhǎng)過程，并分析了凝固過程固相率及枝晶尖端生長(zhǎng)速率的變化。其次，考慮潛熱對(duì)凝固過程中組織形貌的影響，模擬了非等溫條件下的凝固過程，如圖4b所示。這些模擬結(jié)果對(duì)核燃料在鑄造過程中溶質(zhì)原子的分布、枝晶形貌及凝固溫度等提供重要的理論參考。

圖4 初始溫度為1525 K的條件下，Nb-86U(at%)合金的等溫(a)和非等溫(b)凝固過程中濃度場(chǎng)模擬結(jié)果Fig.4 The simulation results of concentration field during isothermal (a)and anisothermal(b)solidification of Nb-86U(at%) alloy at 1525 K

文獻(xiàn)報(bào)道的關(guān)于U-Nb合金時(shí)效過程的組織演變過程比較復(fù)雜，為了闡明各種組織的形成機(jī)理，本研究組基于最新的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，模擬了不同溫度和初始成分條件下的U-Nb合金時(shí)效過程的組織演化過程，重點(diǎn)對(duì)γ相U-Nb合金在時(shí)效過程中，晶界形核機(jī)制對(duì)新生的α晶粒和富Nb的γ晶粒彼此協(xié)同長(zhǎng)大的生長(zhǎng)過程的影響，及晶界片層狀組織的形成機(jī)理和低溫馬氏體中的調(diào)幅分解進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 單晶(a)和多晶合金(b)時(shí)效過程的組織模擬結(jié)果；共析轉(zhuǎn)變過程(c)和(130)馬氏體孿晶中調(diào)幅分解(d)的模擬結(jié)果Fig.5 Simulation results of microstructure evolution during aging in single crystal(a)and polycrystal(b)；Simulation results ofeutectoid transformation(c)and spinodaldecom-position in(130)martensitic twins(d)

此外，相場(chǎng)法在核燃料元件材料研究中的應(yīng)用越來越受到國(guó)內(nèi)外研究者的青睞[45]?；诙嘞鄨?chǎng)模型，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)核燃料中空洞和氣泡演化[46，47]、位錯(cuò)[48]、氫化物析出[49]、晶粒長(zhǎng)大[50]等組織和缺陷演化過程的模擬，這對(duì)核燃料元件材料的設(shè)計(jì)和服役過程中安全性能評(píng)估等具有重要的意義。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以鈾基金屬型核燃料元件材料熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和應(yīng)用為例，介紹了以材料基因工程理念為指導(dǎo)的金屬型核燃料的多尺度設(shè)計(jì)思路，以及基于熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)輻照條件下相穩(wěn)定性和微觀組織演化的計(jì)算模擬方法，說明了材料基因工程研究方法在我國(guó)新一代核燃料元件材料研發(fā)中的重要作用。

References

[1] Gong Haiguang(宮海光)，Guo Dingqing(郭丁情)，Tong Lili(佟立麗)，et al.Nuclear Science and Engineering(核科學(xué)與工程) [J]，2015，35(3):525－531.

[2] Liu Zikui(劉梓葵).Science China Press(科學(xué)通報(bào))[J]，2013，58(35):3618－3622.

[3] Devanathan R，Brutzel V L，Chartier A，et al.Energy＆Environmen-tal Science[J]，2010，3:1406－1426.

[4] Yu Jinnan(郁金南).Irradiation Effect of Material(材料輻照效應(yīng))[M].Beijing:Chemical Industry Press，2007.

[5] B.R.T.弗羅斯特.Nuclear Materials(核材料)[M].Beijing: Science Press，1999.

[6] Freyss M，Petit T，Crocombette J P.Journal of Nuclear Materials [J]，2005，347:44－51.

[7] Jia Huimin(賈慧敏).Dissertation for Master(碩士論文)[D]. Yantai:Yantai University，2011.

[8] Liu X Y，Andersson D A，Uberuaga B P.Journal of Materials Science [J]，2012，47:7367－7384.

[9] Younsuk Y，Oppeneer P M.MRS Bulletin[J]，2011，36(03): 178－184.

[10]Li Qin(李 琴)，Luo Yang(羅 洋)，Ye Xinyu(葉信宇)，et al.Nonferrous Metals Science and Engineering(有色金屬科學(xué)與工程)，2015(6):37－46.

[11]Nerikar P V，Liu X Y，Uberuaga B P，et al.Journal of Physics: Condensed Matter[J]，2009，21:435602.

[12]Liu X Y，Sickafus K E.Journal of Nuclear Materials[J]，2011，414 (2):217－220.

[13]Dorado B，Jomard G，F(xiàn)reyss M，et al.Physical Review B[J]，2010，82(3):035114.

[14]Crocombette J P，Torumba D，Chartier A.Physical Review B[J]，2011，83(18):184107.

[15]Kurosaki K，Yamada K，Uno M，et al.Journal of Nuclear Materials [J]，2001，294(1):160－167.

[16]Basak C B，Sengupta A K，Kamath H S.Journal of Alloys and Com-pounds[J]，2003，360(1):210－216.

[17]Brutzel L V，Vincent－Aublant E.Journal of Nuclear Materials[J]，2008，377(3):522－527.

[18]Aidhy D S，Millett P C，Desai T，et al.Physical Review B[J]，2009，80(10):104107.

[19]Martin G，Maillard S，Brutzel L V，et al.Journal of Nuclear Materials[J]，2009，385:351－357.

[20]Wang Jian(王 見)，Li Zhisheng(李志圣)，Liu Xingjun(劉興軍)，et al.The Chinese Journal of Nonferrous Metals(中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào))[J]，2007，17:96－100.

[21]Wang Cuiping，Yu Peng，Liu Xingjun，et al.Journal of Alloys and Compounds[J]，2008，457:150－156.

[22]Wang Cuiping，Li Yifu，Liu Xingjun，et al.Journal of Alloys and Compounds[J]，2008，457:208－213.

[23]Wang Jian，Wang Cuiping，Liu Xingjun，et al.Journal of Nuclear Materials[J]，2008，374:79－86.

[24]Liu Xingjun，Li Zhisheng，Wang Jian，et al.Journal of Nuclear Ma-terials[J]，2008，380:99－104.

[25]Wang Jian，Wang Cuiping，Liu Xingjun.Journal of Nuclear Materials [J]，2008，380:105－110.

[26]Li Zhisheng，Liu Xingjun，Wang Cuiping.Journal of Alloys and Compounds[J]，2009，476:193－198.

[27]Liu Xingjun，Wang Cuiping.Journal of Alloys and Compounds[J]，2009，469:186－192.

[28]Wang Cuiping，F(xiàn)ang Wei，Liu Xingjun，et al.Journal of Nuclear Materials[J]，2009，392:525－530.

[29]Wang Cuiping，He Ye，Liu Xingjun，et al.Journal of Alloys and Compounds[J]，2009，487:126－131.

[30]Wang Cuiping，Li Zhisheng，Liu Xingjun，et al.Journal of Phase Equilibria and Diffusion[J]，2009，30:535－552.

[31]Li Zhisheng，Liu Xingjun，Wang Cuiping.Journal of Nuclear Materials[J]，2010，403:1－6.

[32]Wang Cuiping，Yu Wenjie，Liu Xingjun，et al.Journal of Nuclear Materials[J]，2011，412:66－71.

[33]Wang Cuiping，Wang Guicheng，Liu Xingjun，et al.Journal of Nu-clear Materials[J]，2013，440:214－219.

[34]Liu Xingjun，Zhao Yilu，Wang Cuiping，et al.Journal of Nuclear Materials[J]，2014，451:366－371.

[35]Liu Xingjun，He Qin，Wang Cuiping，et al.Journal of Nuclear Ma-terials[J]，2014，453:169－175.

[36]Huang Yixiong，Lu Yong，Wang Cuiping，et al.CALPHAD[J]，2016，52:120－124.

[37]Yin Changgeng(尹昌耕)，Chen Jiangang(陳建剛)，Sun Changlong(孫長(zhǎng)龍)，et al.Atomic Energy Science and Technology (原子能科學(xué)技術(shù))[J]，2009，43:389－393.

[38]Martin G.Physical Review B[J]，1984，30:1424－1436.

[39]Bleiberg M L，Jones L J，Lustman B.Journal of Applied Physics [J]，1956，27:1270－1283.

[40]Chen Longqing(陳龍慶).Science China Press(科學(xué)通報(bào))[J]，2013，58(35):3638－3641.

[41]Wheeler A，Boettinger WJ，McFadden G B.Physical Review E[J]，1993，47(3):1893－1909.

[42]Boettinger J，Warren J A，Beckermann C，et al.Annual Review of Materials Research[J]，2002，32:163－194.

[43]Kim S G，Kim W T，Suzuki T.Physical Review E[J]，1998，58 (3):3316－3323.

[44]Ode M，Suzuki T，Kim S G，et al.Science and Technology of Ad-vanced Materials[J]，2000，1:43－49.

[45]Li Y，Hu S，Sun X，et al.npjComputational Materials[J]，2017，3 (1):16.

[46]Semenov A A，Woo C H.Journal of Nuclear Materials[J]，2011，411:144－149.

[47]Millett P C，Tonks M.Computational Materials Science[J]，2011，50:2044－2050.

[48]Hu S，Henager C H，Li Y，et al.Modelling and Simulation in Mate-rials Science and Engineering[J]，2012，20:015011.

[49]Guo X H，Shi S Q，Zhang Q M，et al.Journal of Nuclear Materials [J]，2008，378:110－119.

[50]Ahmed K，Pakarinen J，Allen T，et al.Journal of Nuclear Materials [J]，2014，446:90－99.

(編輯 惠 瓊)

Materials Genome Initiative and Nuclear Fuel Element Material

LU Yong1，WANG Cuiping1，LI Linyang1，JIA Jianping2，LIU Xingjun1
(1.College of Materials，Xiamen University，Xiamen 361005，China) (2.Science and Technology on Surface Physics and Chemistry Laboratory，Mianyang 621907，China)

Nuclear energy is an important partof the future source of energy due to their higher energy density and lower emission of pollutants.However，the traditional research method of“trial-and-error”may result in higher costs and lower efficiency because ofthe radioactivity of the nuclear fuel element material.The idea of Materials Genome Initiative(MGI)is suitable for the research and development of the nuclear fuel element material.Focused on the nuclear fuel element materi-al，our research group developed a multi-component thermodynamic database including U，Pu and other elements，by cou-pling CALPHAD method and the first-principle method.Based on the thermodynamic database，the thermodynamic model under irradiation was established and the phase transformations under irradiation were systematically investigated.The mi-crostructure evolutions during solidification and aging were simulated by using the Phase-Field method.The present multi-scale and multi-component materials design method based on MGI can provide important information for the design of com-position，microstructure controlling and property improvement of nuclear fuels materials.

MGI；nuclear fuel element material；materials design；CALPHAD；Phase-Field method

TB30；TL352

A

1674－3962(2017)06－0414－06

2016－12－24

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)(20720170038)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(91226023)

盧 勇，男，1984年生，助理教授，碩士生導(dǎo)師

劉興軍，男，1962年生，教授，博士生導(dǎo)師，Email: lxj＠xmu.edu.cn

10.7502/j.issn.1674－3962.2017.06.03