氧化钇中辐照缺陷形成及稳定性的第一性原理研究

论文摘要

氧化物弥散强化（ODS）铁素体钢具有良好的力学性能以及抗辐照性能，被认为是第四代核反应堆潜在的结构材料。ODS钢良好的性能归因于材料中弥散分布着大量的纳米氧化物颗粒，这些颗粒在辐照条件下很稳定，能够捕获辐照产生的缺陷。本文用第一性原理研究Y2O3纳米颗粒中空位及其团簇的形成和稳定性以及嬗变He的形成、迁移及He与空位的团簇。计算结果表明，Y2O3中单空位形成能随着电荷增加而减少，最稳定的空位分别为VO2+和VY3-。O空位的形成会产生新的电子态，使得电子局域分布于空位处，而中性Y空位则没有类似的结果。对于双空位，同种原子的双空位组态结合能很小，它们的结合不是太稳定。然而，钇-氧空位对电子局域分布在Y与O空位之间，仿佛形成一个“化学键”，使得整个体系能量降低，钇-氧空位对结合能显著增加，最稳定结构达到6.97eV。而且，钇-氧空位对能够吸引其它的空位形成稳定的小空位团簇。Y2O3中He的形成能计算表明，单个He原子更倾向于占据体积大、电子密度小的Y空位，而O空位处由于电子密度大，He满壳层电子云与O空位处电子交叠，产生排斥作用，He会自发弛豫至邻近的间隙位置。Y2O3中的He原子迁移主要通过间隙扩散方式进行，相应的迁移能为0.4eV。没有空位存在条件下，He原子团簇可能形成，但是结合能很小，两个He原子结合能仅仅为0.04eV。在He与空位形成团簇中，O空位的增加会降低He与团簇之间的结合能；与之相反，Y空位的增加增大He与团簇的结合能，提高团簇捕获He原子的能力。He-空位团簇的结构是：在Y空位存在的条件下，He原子倾向于停留在Y空位处或者以Y空位为中心，He原子呈哑铃型分布在两侧；而Y-O空位对的形成使得O空位处密度减小，He原子能够被O空位捕获。上述结果表明，Y2O3能够捕获辐照产生的空位或者He原子。弥散分布在基体中的Y2O3，可以作为辐照空位或者He原子的池子（Sinks），从而降低基体中的缺陷浓度，使材料的抗辐照性能大幅度地提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 核反应堆的发展
• 1.2 核反应堆结构材料
• 1.2.1 传统结构材料
• 1.2.2 第四代核反应堆结构材料
• 1.3 核结构材料的辐照损伤
• 1.3.1 辐照产生的一次缺陷
• 1.3.2 辐照产生的二次缺陷
• 1.3.3 其它类型缺陷
• 1.4 辐照损伤的实验研究方法
• 1.5 辐照损伤的理论研究方法
• 1.6 本论文的选题依据及内容安排
• 第2章 氧化物弥散强化铁合金材料
• 2.1 ODS钢的制备方法
• 2.2 ODS钢的力学性能
• 2.2.1 ODS钢的拉伸性能
• 2.2.2 ODS钢的蠕变断裂强度
• 2.2.3 ODS钢的力学性能与结构的关系
• 2.3 ODS钢的抗辐照性能
• 第3章 ODS钢中空位及空位团簇的性质
• 3.1 单空位
• 3.1.1 单空位形成能
• 3.1.2 空位形成能修正项
• 3.1.3 空位的电子结构
• 3.2 双空位
• 3.2.1 双空位的结合能
• 3.2.2 Y-O空位团簇的稳定性
• 3.3 本章小结
• 第4章 ODS钢中He与空位团簇的相互作用
• 4.1 单个He原子的形成能
• 4.2 He原子的迁移
• 4.3 He空位团簇的形成能
• 4.4 He空位团簇的稳定性
• 4.5 He空位团簇的结构
• 4.6 本章小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果