钨/石墨烷/钨第一壁材料缺陷与力学性能的第一性原理计算

托卡马克装置是实现可控热核聚变的主要装置之一, 而第一壁材料在确保托卡马克装置稳定运行的过程中起着至关重要的作用. 钨金属已被广泛使用作为第一壁材料, 但是聚变反应产生的氦原子在进入钨晶体后易形成"氦气泡"和点缺陷, 严重影响托卡马克装置第一壁材料的稳定性. 首次设计将钨/石墨烷/钨体系作为第一壁材料. 第一性原理计算结果表明, 钨/石墨烷/钨第一壁材料中的界面可以捕获氦原子和空位, 且能促进自填隙钨原子与空位复合, 从而降低钨体相中的缺陷密度; 弹性常数计算结果表明, 石墨烷层的存在可以提高钨金属的柯西压力值($C' $)和各向异性因子($A$), 使第一壁材料的延展性得以提高, 且不易出现裂纹, 但是在相同温度下钨/石墨烷/钨第一壁材料的力学模量有所下降; 利用准简谐德拜模型计算吉布斯自由能 $G^*$、定容热容$C_\mathrm V$、熵($S$)等热力学函数结果表明, 钨/石墨烷/钨第一壁材料的热力学稳定性与纯钨金属相比有所下降.     

含Nb或Ge的锆合金表面氧吸附行为的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 研究了纯锆表面和含Nb或Ge锆合金表面上氧的吸附性质. 结果表明, Nb和Ge对Zr(0001), (1120)和(1010)表面吸附性质的影响各不相同. 根据计算得到的偏聚能结果, Nb和Ge迁移到Zr(0001)表面比迁移到其他两个表面更容易, 而Nb和Ge 都可以降低Zr(0001)表面对氧原子的吸附能力, 因此这两种元素都能抑制锆合金的初始氧化. 进一步的电子结构分析发现, Nb和Ge改变表面对氧原子的吸附能力是通过改变表面d能带的分布来实现的.     

H和B原子在有序态Ni3Fe表面的吸附

采用基于密度泛函理论(density functional theory,DFT)的第一性原理方法,对H和B原子在有序态Ni3Fe合金(111)表面的吸附进行研究.结果表明,B原子在有序态Ni3Fe合金(111)表面的吸附能远低于H原子,从而更容易被有序态Ni3Fe合金(111)表面吸附,形成稳定结构.这导致H原子在有序态Ni3Fe合金表面的吸附机会大大减少,降低了有序态Ni3Fe合金在氢气中的环境氢脆.进一步的电子结构分析表明,H原子的表面吸附能高于B原子是由于H原子在有序态Ni3Fe合金(111)表面吸附时,H原子的反键态被推到了费米面以上所引起的.     

Effect of Ni and vacancy concentration on initial formation of Cu precipitate in Fe–Cu–Ni ternary alloys by molecular dynamics simulation

In the present work, the effects of Ni atoms and vacancy concentrations(0.1%, 0.5%, 1.0%) on the formation process of Cu solute clusters are investigated for Fe–1.24%Cu–0.62%Ni alloys by molecular dynamics(MD) simulations. The presence of Ni is beneficial to the nucleation of Cu precipitates and has little effect on coarsening rate in the later stage of aging. This result is caused by reducing the diffusion coefficient of Cu clusters and the dynamic migration of Ni atoms. Additionally, there are little effects of Ni on Cu precipitates as the vacancy concentration reaches up to 1.0%,thereby explaining the embrittlement for reactor pressure vessel(RPV) steel. As a result, the findings can hopefully provide the important information about the essential mechanism of Cu cluster formation and a better understanding of ageing phenomenon of RPV steel. Furthermore, these original results are analyzed with a simple model of Cu diffusion, which suggests that the same behavior could be observed in Cu-containing alloys.     

钨/石墨烷/钨第一壁材料缺陷与力学性能的第一性原理计算

托卡马克装置是实现可控热核聚变的主要装置之一,而第一壁材料在确保托卡马克装置稳定运行的过程中起着至关重要的作用.钨金属已被广泛使用作为第一壁材料,但是聚变反应产生的氦原子在进入钨晶体后易形成“氦气泡”和点缺陷,严重影响托卡马克装置第一壁材料的稳定性.首次设计将钨/石墨烷/钨体系作为第一壁材料.第一性原理计算结果表明,钨/石墨烷/钨第一壁材料中的界面可以捕获氦原子和空位,且能促进自填隙钨原子与空位复合,从而降低钨体相中的缺陷密度;弹性常数计算结果表明,石墨烷层的存在可以提高钨金属的柯西压力值(C’)和各向异性因子(A),使第一壁材料的延展性得以提高,且不易出现裂纹,但是在相同温度下钨/石墨烷/钨第一壁材料的力学模量有所下降;利用准简谐德拜模型计算吉布斯自由能G^*、定容热容Cv、熵(S)等热力学函数结果表明,钨/石墨烷/钨第一壁材料的热力学稳定性与纯钨金属相比有所下降.     

First principles calculations of relationship between the Cu surface states and relaxations

In this paper the relationship between the surface relaxations and the electron density distributions of surface states of Cu(100), Cu(110), and Cu(111) surfaces is obtained by first-principles calculations. The calculations indicate that relaxations mainly occur in the layers at which the surface states electrons are localized, and the magnitudes of the multilayer relaxations correspond to the difference of electron density of surface states between adjacent layers. The larger the interlayer relaxation is, the larger the difference of electron density of surface states between two layers is.