聚變堆金屬材料中子輻照多尺度計(jì)算模擬

2021-01-21 01:33呂廣宏

原子能科學(xué)技術(shù) 2021年1期

呂廣宏

(北京航空航天大學(xué))

中子輻照損傷是使聚變堆材料服役性能劣化的最主要環(huán)境因素之一，將嚴(yán)重影響聚變堆運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性[1]。但中子輻照下材料服役行為評價(jià)難度大、費(fèi)用高、周期長，造成系統(tǒng)數(shù)據(jù)的匱乏，嚴(yán)重制約了其失效行為、規(guī)律評價(jià)與壽命預(yù)測技術(shù)的發(fā)展。在缺乏14.1 MeV高能強(qiáng)流中子裝置進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)的情況下，聚變堆材料中子輻照行為研究主要聚焦于裂變中子實(shí)驗(yàn)?zāi)M、離子輻照實(shí)驗(yàn)?zāi)M和多尺度計(jì)算模擬[2]。由于嬗變速率、損傷速率、損傷空間分布情況以及He/dpa等條件與聚變條件不同，裂變中子實(shí)驗(yàn)無法完全準(zhǔn)確預(yù)測聚變堆材料的中子輻照行為。因此，構(gòu)建聚變堆金屬材料中子輻照模擬平臺(tái)是中國聚變工程實(shí)驗(yàn)堆(CFETR)工程設(shè)計(jì)的迫切需要。

美國和歐洲均大力支持核材料中子輻照模擬研究，如美國“Transformational Advances in Computational Multiscale Modeling of Radiation Effects in Materials”項(xiàng)目(2016—2021)、歐洲“Joint Programme on Nuclear Materials, the European Energy Research Alliance”項(xiàng)目(2016—2020)。國內(nèi)也已開始裂變堆材料中子輻照的多尺度模擬研究，如中國原子能科學(xué)研究院開發(fā)的裂變中子輻照模擬軟件已應(yīng)用于模擬壓力容器鋼等結(jié)構(gòu)材料中微結(jié)構(gòu)的演化過程及輻照脆化趨勢預(yù)測[3]。因此，國內(nèi)外都已認(rèn)識(shí)到材料中子輻照模擬平臺(tái)的重要性，開始了這一方面的研究，這些材料中子輻照模擬平臺(tái)均在建設(shè)或進(jìn)一步完善中。同時(shí)，由于中子能譜不同、dpa損傷速率等差異，裂變堆材料中子輻照模擬平臺(tái)被認(rèn)為不適合直接應(yīng)用于聚變堆材料中子輻照條件下結(jié)構(gòu)與性能的預(yù)測。

目前國內(nèi)外對于聚變堆材料的中子輻照模擬均處于起步階段，尚缺乏系統(tǒng)的研究和完善的模擬平臺(tái)，無法實(shí)現(xiàn)聚變堆材料中子輻照行為從納米到毫米的跨空間尺度、從皮秒到月/年的全周期過程模擬。美國西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室和比利時(shí)核能研究中心開展的動(dòng)力學(xué)蒙特卡羅(KMC)以及美國勞倫斯國家實(shí)驗(yàn)室開展的團(tuán)簇動(dòng)力學(xué)(CD)等多尺度模擬研究均依賴于法國里爾大學(xué)建立的缺陷信息數(shù)據(jù)庫[4-9]，但該數(shù)據(jù)庫僅包含空位、間隙原子、氦以及它們組成的小團(tuán)簇，缺乏中等尺寸和大尺寸缺陷團(tuán)簇以及位錯(cuò)環(huán)、晶界等復(fù)雜缺陷相關(guān)信息，因此無法進(jìn)行長時(shí)間高劑量聚變中子輻照模擬研究。亟需開展第一性原理(FP)和分子動(dòng)力學(xué)(MD)研究建立完善的缺陷性質(zhì)數(shù)據(jù)庫和級(jí)聯(lián)碰撞數(shù)據(jù)庫，開發(fā)準(zhǔn)確高效的KMC和CD程序，實(shí)現(xiàn)不同模擬尺度間信息的有效傳遞。

在中子輻照損傷微觀結(jié)構(gòu)預(yù)測材料宏觀力學(xué)性能方面，現(xiàn)有研究主要采用彌散障礙模型等經(jīng)典理論。但由于聚變中子輻照產(chǎn)生的缺陷類型多、尺寸大、密度高，缺陷間相互作用復(fù)雜，現(xiàn)有的理論模型無法滿足力學(xué)性能預(yù)測。位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)(DD)和晶體塑形有限元(CPFEM)是定量研究輻照缺陷對材料力學(xué)性能影響的兩個(gè)重要方法，這兩方面的研究均需要深入。并且國內(nèi)外目前主要在這兩個(gè)尺度上各自獨(dú)立建模分析，兩者之間的參數(shù)傳遞很少研究，使得CPFEM對輻照缺陷的硬化效應(yīng)的預(yù)測能力不夠，多為解釋性模型?，F(xiàn)亟需建立輻照微結(jié)構(gòu)模擬程序MD/OKMC/CD與力學(xué)性能模擬程序DD/CPFEM及DD與CPFEM間的信息傳遞和有效銜接，實(shí)現(xiàn)從初級(jí)輻照損傷到力熱性能響應(yīng)的全鏈條模擬預(yù)測。

綜上，在缺乏聚變中子源的情況下，聚變堆材料中子輻照行為尚無法準(zhǔn)確預(yù)測，這嚴(yán)重制約了聚變堆材料服役行為評價(jià)與壽命評估。應(yīng)用不同尺度模擬方法，針對聚變堆材料中子輻照行為預(yù)測的迫切需求，本項(xiàng)目以CFETR擬全面使用的鎢材料作為研究對象，構(gòu)建從微觀(級(jí)聯(lián)碰撞)→介觀(缺陷結(jié)構(gòu)演化)→宏觀(力熱性能)的中子輻照模擬平臺(tái)，通過與典型裂變堆實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比驗(yàn)證平臺(tái)有效性，實(shí)現(xiàn)聚變中子輻照下鎢材料的輻照微結(jié)構(gòu)和力熱性能的準(zhǔn)確預(yù)測。

1 研究方案

通過多尺度計(jì)算模擬研究，建立鎢材料中子輻照缺陷性質(zhì)數(shù)據(jù)庫和輻照初級(jí)損傷結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫，發(fā)展現(xiàn)有微結(jié)構(gòu)演化和力熱性能計(jì)算程序，構(gòu)建金屬材料聚變中子輻照計(jì)算模擬平臺(tái)，模擬得到鎢材料中子輻照條件下的微結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能，所得到的結(jié)果與現(xiàn)有鎢材料裂變中子輻照實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比驗(yàn)證，以確定模擬平臺(tái)的準(zhǔn)確性，籍此預(yù)測聚變中子輻照下鎢材料的輻照微結(jié)構(gòu)和力熱性能。平臺(tái)命名為NINUM3(Neutron Irradiation of Nuclear Fusion Metallic Materials: Multiscale Modeling & Simulation)。具體研究方案如圖1所示。

首先建立關(guān)鍵參數(shù)數(shù)據(jù)庫，包括輻照缺陷性質(zhì)數(shù)據(jù)庫和輻照初級(jí)損傷結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫。輻照缺陷性質(zhì)數(shù)據(jù)庫包含空位/自間隙原子/氫氦團(tuán)簇結(jié)合能、擴(kuò)散/轉(zhuǎn)向/發(fā)射指前因子和勢壘、作用半徑等關(guān)鍵信息；輻照初級(jí)損傷結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫包含初級(jí)碰撞原子能量EPKA≤300 keV(相當(dāng)于14.1 MeV聚變中子傳遞給鎢原子的最大能量)與不同溫度下的缺陷種類、數(shù)量與空間分布。這兩個(gè)數(shù)據(jù)庫是微結(jié)構(gòu)模擬的重要輸入。其次，應(yīng)用OKMC方法開展短時(shí)間低dpa的缺陷演化計(jì)算，應(yīng)用CD方法開展長時(shí)間高dpa的缺陷演化計(jì)算。通過多尺度模型與上述數(shù)據(jù)庫的耦合，實(shí)現(xiàn)缺陷演化的跨尺度模擬，獲得不同dpa下的缺陷種類、數(shù)量與空間分布。基于獲得的缺陷微結(jié)構(gòu)信息，應(yīng)用DD與CPFEM方法計(jì)算不同dpa條件下的力學(xué)性能與熱學(xué)性能。將計(jì)算得到的缺陷微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能結(jié)果與裂變中子輻照實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對[10-12](表1)，驗(yàn)證中子輻照模擬平臺(tái)的有效性。在此基礎(chǔ)上預(yù)測鎢材料在聚變中子輻照條件下的微結(jié)構(gòu)和力熱性能變化。

圖1 金屬材料中子輻照平臺(tái)建立與計(jì)算模擬總體方案Fig.1 Overall plan for establishing simulation platform for neutron irradiation in metals

表1 HFIR/JMTR裂變中子輻照條件下鎢缺陷結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能Table 1 Microstructure defect and mechanical property of tungsten irradiated by neutron in HFIR/JMTR

2 研究進(jìn)展

2.1 中子輻照損傷關(guān)鍵參數(shù)數(shù)據(jù)庫建立

1) 輻照缺陷性質(zhì)數(shù)據(jù)庫

綜合利用FP、分子靜力學(xué)(MS)、MD方法研究了輻照缺陷熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)行為，獲得了描述缺陷及缺陷間交互作用的特征參數(shù)。FP因具有精度高、物理意義明確但計(jì)算體系小的特點(diǎn)，可用來獲得空位/自間隙原子/氫/氦等點(diǎn)缺陷及其構(gòu)成的小型缺陷團(tuán)簇的精確特征參數(shù)，構(gòu)建相應(yīng)缺陷模型。首先通過系統(tǒng)的FP研究發(fā)現(xiàn)納米孔洞的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)可通過最小化其表面積來準(zhǔn)確確定，并揭示鎢中納米孔洞形成能與其表面積之間的線性關(guān)系(圖2)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開發(fā)了一種新的物理模型，可準(zhǔn)確預(yù)測任意大小納米孔洞的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和能量。該物理模型與DFT計(jì)算結(jié)果以及近期的納米孔洞退火實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

圖2 鎢中V1～V47空位團(tuán)簇形成能隨其Wigner-Seitz表面積的變化Fig.2 Formation energy of V1-V47 nanovoids as function of their Wigner-Seitz areas

MS和MD/AMD方法適用于較大型缺陷團(tuán)簇、位錯(cuò)環(huán)、空洞等的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)行為研究，但其結(jié)果準(zhǔn)確性依賴于所用經(jīng)驗(yàn)勢，因此須根據(jù)DFT和基于量子力學(xué)的緊束縛勢結(jié)果對現(xiàn)有鎢和鎢-氫/氦勢函數(shù)的有效性進(jìn)行評估，甄選并優(yōu)化出適用于輻照損傷模擬的經(jīng)驗(yàn)勢。本項(xiàng)目對比了常用的6種勢函數(shù)在點(diǎn)缺陷、空位團(tuán)簇、間隙團(tuán)簇、位錯(cuò)環(huán)和堆垛層錯(cuò)能等靜態(tài)性質(zhì)研究中的表現(xiàn)，并評估了這6種勢函數(shù)在輻照級(jí)聯(lián)下的表現(xiàn)，最終確定了適用于分子動(dòng)力學(xué)輻照損傷模擬的鎢經(jīng)驗(yàn)勢函數(shù)[13-14]。

聚變中子輻照會(huì)產(chǎn)生大量復(fù)雜缺陷(如位錯(cuò)環(huán)、空洞、氦泡等)，其運(yùn)動(dòng)涉及多個(gè)多原子協(xié)同躍遷過程，故采用加速分子動(dòng)力學(xué)(AMD)和AKMC相結(jié)合的方法開展研究。AMD-AKMC結(jié)合dimer過渡態(tài)搜索方法可在無須事先了解體系躍遷機(jī)制下實(shí)時(shí)給出缺陷在原子尺度和微秒尺度下的演化信息。大型復(fù)雜缺陷熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)通常由多個(gè)物理參數(shù)共同決定，很難通過物理機(jī)制分析找出關(guān)鍵物理參量進(jìn)行建模，因此嘗試引入機(jī)器學(xué)習(xí)方法對大型復(fù)雜缺陷進(jìn)行建模。該方法以大型復(fù)雜缺陷電子和結(jié)構(gòu)組態(tài)信息為輸入，熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)能量數(shù)據(jù)為輸出，利用支持向量機(jī)進(jìn)行多維回歸建模，基于所得大量缺陷結(jié)構(gòu)和能量數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，得到缺陷模型。應(yīng)用AMD方法模擬研究了金屬鎢中的空位及空位團(tuán)簇的動(dòng)力學(xué)演化過程，獲得了相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，確認(rèn)了納米尺度的位錯(cuò)環(huán)之間的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化關(guān)系。

2) 輻照初級(jí)損傷結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫

采用MD方法研究了不同溫度、不同入射方向PKA在各種鎢體系中的級(jí)聯(lián)損傷行為，獲得了輻照初級(jí)損傷缺陷類型、數(shù)量、分布等關(guān)鍵信息，構(gòu)建了輻照初級(jí)損傷結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫。MD模擬輻照級(jí)聯(lián)損傷已有50多年的歷史，方法較成熟。但在模擬高能PKA(最高達(dá)300 keV)級(jí)聯(lián)損傷時(shí)需使用原子數(shù)在千萬量級(jí)以上的超大體系，其中級(jí)聯(lián)碰撞所產(chǎn)生的缺陷種類的判別和分析處理非常困難且效率低。采用“自動(dòng)步長”法可提高計(jì)算效率，即模擬程序根據(jù)PKA能量、模型體系中原子受力和速度等自動(dòng)調(diào)節(jié)步長。此外，目前級(jí)聯(lián)損傷的模擬只考慮級(jí)聯(lián)反應(yīng)中具有較大動(dòng)能原子導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)演化，不考慮輻照引起的電子激發(fā)效應(yīng)的影響。本項(xiàng)目引入緊束縛模型來研究電子激發(fā)效應(yīng)。

3) 數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建程序和方法

所使用的軟件及代碼多在Linux操作系統(tǒng)下使用，為方便調(diào)用使用MySQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。根據(jù)MySQL模式要求整合中子輻照的模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立中子輻照損傷跨尺度集成模擬數(shù)據(jù)庫，并將數(shù)據(jù)庫與模擬分析程序鏈接在一起，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效銜接和調(diào)用。MySQL是一個(gè)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，具有讀取速度快、靈活性高、可管理性強(qiáng)且代碼開源無版權(quán)限制等特點(diǎn)。

2.2 中子輻照計(jì)算模擬平臺(tái)構(gòu)建

1) 介觀尺度缺陷演化行為的OKMC模擬

OKMC方法忽略晶格原子熱振動(dòng)，將輻照缺陷列為研究的主要對象，可有效擴(kuò)展模擬的時(shí)間和空間尺度。中子輻照產(chǎn)生的初始損傷具有空間分布不均勻特征，且存在大量空間關(guān)聯(lián)性缺陷(如弗倫克爾缺陷)，這些空間信息對微結(jié)構(gòu)的演化至關(guān)重要。OKMC固有地保留了這些空間信息。本項(xiàng)目將采用OKMC方法模擬輻照初級(jí)損傷結(jié)構(gòu)在介觀尺度/微秒時(shí)間范圍內(nèi)的演化，消除或弱化空間相關(guān)性和不均勻性，為后續(xù)大尺度DD和CPFEM等力熱性能模擬提供必要參數(shù)。計(jì)算效率低且難以并行是限制OKMC廣泛應(yīng)用的重要原因。本項(xiàng)目擬通過使用高效的二叉樹和列表相結(jié)合的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來提高程序運(yùn)行效率，探索OKMC高效分區(qū)并行算法，并嘗試GPU硬件加速。

圖3 NINUM3-OKMC和KSOME模擬給出的75 keV PKA在300 K下產(chǎn)生的VAC和SIA缺陷存活率隨時(shí)間的變化Fig.3 Surviving fraction of VAC and SIA as a function of time for a PKA of 75 keV at 300 K obtained by NINUM3-OKMC and KSOME

目前，已開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的OKMC(NINUM3-OKMC)，并與歐美典型程序LAKIMOCA和KSOME進(jìn)行了對比驗(yàn)證，研究結(jié)果吻合較好，證明該程序可用于鎢中缺陷演化的準(zhǔn)確模擬。圖3示出了用不同OKMC程序模擬75 keV單級(jí)聯(lián)中子輻照損傷在300 K下退火過程中空位(VAC)型和間隙(SIA)型缺陷存活率隨時(shí)間的變化。結(jié)果顯示，NINUM3-OKMC與KSOME[15]的模擬結(jié)果相一致。進(jìn)一步，使用自主開發(fā)的NINUM3-OKMC程序模擬了低劑量中子輻照下的缺陷演化，并與美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室HFIR實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)缺陷數(shù)密度與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在同一數(shù)量級(jí)。在模擬過程中，通過在體系中引入雜質(zhì)來捕獲快速遷移的自間隙原子，降低SIA遷移頻率，提升OKMC模擬效率。

2) 缺陷長時(shí)間演化行為的CD模擬

輻照微結(jié)構(gòu)演化是有效連接原子尺度模擬和力熱性能計(jì)算的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。CD方法是模擬微結(jié)構(gòu)長時(shí)間演化的有效方法，在輻照損傷研究中得到了廣泛應(yīng)用。該方法考慮了缺陷之間的相互作用，直接求解一系列缺陷演化的ODE方程組。在高劑量聚變中子輻照下，必須考慮大尺寸缺陷(幾百nm～μm)的演化行為以及嬗變氦的影響，導(dǎo)致模型的復(fù)雜度和方程數(shù)量(達(dá)百萬量級(jí))顯著增大，提高了數(shù)值求解的難度。將確定性方法、隨機(jī)方法以及缺陷分群方法有機(jī)結(jié)合，主要考慮氦-空位團(tuán)簇、間隙性位錯(cuò)環(huán)等缺陷的形核、長大和粗化過程，尤其是對于大尺寸缺陷采用更為精確的分群方法來代替Fokker-Plank方程，實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)演化的精確模擬。

基于CD的基本理論，結(jié)合鎢中輻照缺陷的特點(diǎn)，建立了間隙原子團(tuán)簇、空位團(tuán)簇、位錯(cuò)環(huán)等輻照缺陷演化的物理模型，尤其是考慮了鎢中空位之間結(jié)合較弱甚至排斥的情況下如何處理的問題。同時(shí)考慮到后續(xù)不同He/dpa的計(jì)算，推導(dǎo)建立了He-空位團(tuán)簇的group method公式。利用前期開發(fā)的確定性和隨機(jī)性求解算法與程序(Radieff和MISA_SCD)，模擬計(jì)算了不同離子輻照劑量下晶粒尺寸鎢中位錯(cuò)環(huán)的演化過程(圖4)，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果[16]基本一致，初步證明了方法的可行性。通過發(fā)展特征時(shí)間退火方法，實(shí)現(xiàn)了初級(jí)輻照損傷MC(IM3D)方法、短時(shí)間缺陷演化的OKMC(MMonCa)方法和長時(shí)間缺陷演化的CD(IRadMat)方法的耦合，建立了計(jì)及級(jí)聯(lián)內(nèi)缺陷空間關(guān)聯(lián)的團(tuán)簇動(dòng)力學(xué)模型(CD-SC)，修正了傳統(tǒng)CD對長時(shí)間缺陷動(dòng)力學(xué)和尺寸分布行為的錯(cuò)誤估計(jì)，實(shí)現(xiàn)了從離散到連續(xù)模型的有效過渡。

3) 輻照微結(jié)構(gòu)力熱性能計(jì)算

根據(jù)輻照缺陷性質(zhì)數(shù)據(jù)庫提供的位錯(cuò)與輻照缺陷交互作用結(jié)果，建立位錯(cuò)與輻照缺陷交互作用模型并編程整合到DD軟件ParaDis中，研究單晶鎢輻照微觀結(jié)構(gòu)演化，確定輻照缺陷對滑移系阻礙作用及位錯(cuò)密度演化規(guī)律，建立描述鎢輻照后應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)的晶體塑性單晶本構(gòu)?；谟邢拊浖嗀BAQUS開發(fā)用戶材料子程序建立多晶鎢模型，根據(jù)上述研究所得不同輻照劑量下缺陷狀態(tài)數(shù)據(jù)并考慮晶粒尺寸、晶體取向等信息，利用CPFEM模擬多晶鎢輻照后的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)，建立樣品尺度有限元預(yù)測不同輻照環(huán)境下輻照缺陷對材料硬化的影響?；趩?多晶中空洞/氣泡分布形貌和傅里葉定律，編寫熱傳導(dǎo)程序，計(jì)算不同輻照條件下材料微結(jié)構(gòu)形貌的熱導(dǎo)率。

圖4 CD程序模擬不同離子輻照劑量下鎢中位錯(cuò)環(huán)面積Fig.4 Loop area as a function of radiation damage dose (dpa) simulated by CD

本項(xiàng)目通過分析MD模擬的位錯(cuò)與空洞相互作用過程并結(jié)合彈性理論，建立了位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)框架下的空洞模型，模擬位錯(cuò)通過周期性排列的不同尺寸空洞，得到了與分子動(dòng)力學(xué)模擬一致的通過過程和所需分切應(yīng)力，驗(yàn)證了空洞模型的可靠性；模擬位錯(cuò)通過隨機(jī)分布的不同尺寸、數(shù)密度空洞，統(tǒng)計(jì)其硬化作用，利用多種硬化模型進(jìn)行了擬合，發(fā)現(xiàn)其中BKS模型能較好地描述空洞導(dǎo)致的硬化作用。建立了含聲子-聲子散射、聲子-電子散射、聲子-雜質(zhì)散射、電子-電子散射和電子-雜質(zhì)散射的熱導(dǎo)率物理模型，研究了聲子與位錯(cuò)間相互作用、晶粒尺寸對熱導(dǎo)率的影響。給出了一定溫度范圍內(nèi)未輻照金屬鎢的熱導(dǎo)率，以及熱導(dǎo)率隨位錯(cuò)密度和晶粒尺寸的變化規(guī)律。計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合較好。

3 總結(jié)與展望

中子輻照是聚變堆材料開發(fā)面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。本項(xiàng)目選擇CFETR擬全面使用的鎢材料作為研究對象，不需考慮合金化元素影響，因此金屬鎢中子輻照模擬研究兼具可操作性和工程意義。通過開發(fā)和升級(jí)不同尺度的計(jì)算方法和程序，實(shí)現(xiàn)從微觀、介觀到宏觀的有效連接，搭建國內(nèi)首個(gè)聚變堆金屬材料中子輻照計(jì)算模擬平臺(tái)。應(yīng)用FP和MD等方法研究金屬鎢中本征缺陷、氫/氦缺陷和輻照初級(jí)損傷缺陷的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)行為，獲得描述缺陷性質(zhì)、缺陷間及其與位錯(cuò)相互作用的關(guān)鍵特征參數(shù)，揭示缺陷行為機(jī)制及其所形成團(tuán)簇的作用機(jī)制，構(gòu)建完善的鎢中輻照缺陷性質(zhì)數(shù)據(jù)庫。優(yōu)化一套新的適用于高能中子輻照模擬的鎢和鎢-氫/氦的勢函數(shù)，應(yīng)用MD和AMD方法系統(tǒng)研究不同鎢體系中輻照初始缺陷類型、數(shù)量和空間分布，闡明位錯(cuò)、晶界、氫/氦對輻照初始缺陷產(chǎn)生和分布的影響機(jī)制；發(fā)展高能PKA級(jí)聯(lián)損傷模擬方法和超大體系中的缺陷分析方法，并開發(fā)相應(yīng)的模擬和分析程序；構(gòu)建完善的反映中子輻照信息的輻照初級(jí)損傷結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫。開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高效OKMC程序。以MD級(jí)聯(lián)碰撞相關(guān)缺陷信息為主要輸入?yún)?shù)，搭建從微觀到介觀的橋梁。通過構(gòu)建團(tuán)簇動(dòng)力學(xué)多元體系物理模型，完成對輻照缺陷時(shí)空尺度的進(jìn)一步擴(kuò)展，分別建立確定性方法、概率性方法以及分群方法求解主方程并發(fā)展其相應(yīng)的高效求解算法，從介觀尺度上模擬研究間隙原子、空位、位錯(cuò)環(huán)、空洞等輻照缺陷的演化過程。