李信東，任靜霄，蘆遠(yuǎn)方，謝紅獻(xiàn)

(河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300401)

隨著煤、石油、天然氣等不可再生能源的消耗，以及因此帶來(lái)的對(duì)環(huán)境的破壞，發(fā)展新型環(huán)保能源迫在眉睫?？煽睾司圩兪俏磥?lái)解決人類能源問題的有效途徑之一，采用磁約束設(shè)計(jì)的托卡馬克裝置是實(shí)現(xiàn)可控核聚變的重要方法。由于托卡馬克裝置的第一壁材料需要承受等離子體輻照、高熱負(fù)荷以及高能中子輻照，因此對(duì)第一壁材料的抗輻照性能有很高要求。

在輻照過程中，由于(n,α)嬗變反應(yīng)產(chǎn)生大量He原子，且He原子在金屬材料中有較低的遷移勢(shì)壘和溶解度，因此極易聚集形成氦泡。由此導(dǎo)致材料表面形貌和內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生很大變化，如造成表面剝落、腫脹和納米孔、“絨毛”等微結(jié)構(gòu)的形成[1-3]，力學(xué)性能上則表現(xiàn)為輻照硬化和脆化[4-6]。因此研究氦泡的生長(zhǎng)機(jī)制，并在此基礎(chǔ)上控制氦泡生長(zhǎng)對(duì)提高核材料的抗輻照性能至關(guān)重要。

文獻(xiàn)[7-9]通過實(shí)驗(yàn)方法對(duì)氦泡在金屬材料中的形成過程進(jìn)行了廣泛研究，然而由于氦泡體積較小，形核過程及生長(zhǎng)機(jī)理難以觀察，因此發(fā)展了數(shù)值模擬方法對(duì)氦泡生長(zhǎng)過程進(jìn)行研究。鑒于目前尚無(wú)能全面描述氦泡在時(shí)間和空間尺度上演化的全過程的數(shù)值模擬方法，采用多尺度模擬方法能從各方面進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。本文擬針對(duì)關(guān)于體心立方(bcc)金屬鎢(W)和鐵(α-Fe)中氦泡的形核和生長(zhǎng)的研究進(jìn)展進(jìn)行探究，綜合分析He原子占位及遷移過程和氦泡的生長(zhǎng)及運(yùn)動(dòng)機(jī)理，為今后的相關(guān)研究提供指導(dǎo)。

1 氦泡形核的第一性原理計(jì)算

1.1 氦原子的位置及遷移

研究氦泡的形核和生長(zhǎng)機(jī)制的前提是先了解He原子在金屬中的占位及擴(kuò)散規(guī)律。因?yàn)镠e原子半徑很小，易占據(jù)金屬中四面體間隙位置(TIS)或八面體間隙位置(OIS)。Wilson等[10-11]用經(jīng)驗(yàn)勢(shì)方法得出He原子處于八面體間隙時(shí)能量相對(duì)較低。而Seletskaia等[12-13]通過第一性原理計(jì)算得出bcc金屬中He原子在四面體間隙處能量較低。Zhou等[14]通過計(jì)算應(yīng)力張量和硬球模型來(lái)研究W中間隙He的有效體積和穩(wěn)定性，這一模型認(rèn)為在八面體間隙中He的有效體積較在四面體間隙的有效體積小，表明He更易占據(jù)四面體間隙。

He原子在金屬中的聚集形核得益于其較低的遷移勢(shì)壘和溶解度。Becquart等[15]通過第一性原理計(jì)算得到W中He原子沿TIS-TIS和TIS-OIS-TIS路徑的擴(kuò)散勢(shì)壘分別為0.06 eV和0.32 eV(分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算通過TIS-TIS和TIS-OIS-TIS路徑的擴(kuò)散勢(shì)壘分別為0.02 eV和0.18 eV[16])，但實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)在0.24～0.32 eV之間[17]。能量相差較大的原因在于金屬中各種缺陷對(duì)He的吸引，包括He原子之間的相互吸引，其形成He-He原子對(duì)的結(jié)合能高達(dá)1 eV。He-He原子對(duì)在不同金屬中結(jié)合強(qiáng)度不同[18]，如在Fe中為0.43 eV[19]。這樣的相互吸引作用表明He原子在沒有缺陷的情況下也會(huì)自發(fā)聚集在金屬晶格中。Li等[20]解釋了當(dāng)Fe中He和He距離小于0.282 nm時(shí)，2個(gè)間隙He原子將結(jié)合成氦對(duì)，氦對(duì)形成能分兩部分：晶格畸變部分和電子密度變化部分，后者起主導(dǎo)作用。由于減小了He與基體的界面，2個(gè)緊密相臨He原子引起的電子變化較2個(gè)相距較遠(yuǎn)He原子的電子變化小。氦對(duì)的遷移主要受不同低能量構(gòu)型的氦對(duì)之間能量差異影響，bcc金屬中其遷移勢(shì)壘略高于單個(gè)He原子[21]。

1.2 氦原子的聚集形核

He原子之間不僅相互吸引導(dǎo)致其自發(fā)聚集形核，晶體中的缺陷對(duì)He原子有著更為強(qiáng)烈的相互作用。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于電子電荷密度較低、與金屬原子排斥較小的區(qū)域，如空位、晶界、位錯(cuò)等極易發(fā)生He原子的聚集現(xiàn)象[22-23]。

Liu等[13]計(jì)算得單個(gè)He原子被空位捕獲的能量在α-Fe和W中分別為2.39 eV和4.55 eV，空位的存在顯著限制了He原子的移動(dòng)，在α-Fe中，處于空位的He遷移受氦空位(He-V)團(tuán)簇的制約，勢(shì)壘增加至1.1 eV。氦泡的生長(zhǎng)需要不斷吸收空位或He原子，計(jì)算表明He與He團(tuán)簇間的結(jié)合能一般隨團(tuán)簇的增大而增大[15,24]。Zhang等[25]的計(jì)算表明，F(xiàn)e中間隙He原子傾向于占據(jù)空位中心從而降低空位形成的能量，隨著He原子的繼續(xù)加入，Hen-V團(tuán)簇周圍第二空位形成能明顯降低，有利于氦泡的生長(zhǎng)。

金屬中不同位置對(duì)氦泡的形核和生長(zhǎng)有不同影響。Cai等[26]通過對(duì)比α-Fe中不同低指數(shù)表面點(diǎn)缺陷形成能發(fā)現(xiàn)，Hen-Vm團(tuán)簇的形成能隨表面層到基體原子層數(shù)目的增加而不斷增加。對(duì)于晶界處He團(tuán)簇的聚集，研究發(fā)現(xiàn)He2-V垂直于晶界平面時(shí)，易被晶界吸收，在晶界處生長(zhǎng)的氦泡更易排擠出自間隙原子團(tuán)簇[27]。同時(shí)基體中的雜質(zhì)也對(duì)He原子的擴(kuò)散系數(shù)有影響[28]，阻礙He原子被空位捕獲，因此會(huì)影響氦泡的生長(zhǎng)。

2 氦泡生長(zhǎng)過程的分子動(dòng)力學(xué)研究

2.1 勢(shì)函數(shù)

分子動(dòng)力學(xué)方法可在較大空間尺度范圍內(nèi)對(duì)氦泡形核及生長(zhǎng)過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，合理的經(jīng)驗(yàn)勢(shì)函數(shù)對(duì)分子動(dòng)力學(xué)模擬He原子聚集形核和氦泡生長(zhǎng)的微觀機(jī)制至關(guān)重要。

通過不同F(xiàn)e-He經(jīng)驗(yàn)勢(shì)函數(shù)計(jì)算得到的各種結(jié)構(gòu)形成能和第一性原理的計(jì)算結(jié)果列于表1。文獻(xiàn)[29-31]使用第一性原理計(jì)算了He間隙位置的形成能，不同于文獻(xiàn)[10]得到的He于八面體間隙最穩(wěn)定，表明He原子更易占據(jù)四面體間隙。文獻(xiàn)[33]的勢(shì)函數(shù)著重考慮了Fe中單個(gè)He缺陷的情況，但高溫模擬條件下沒有He的聚集現(xiàn)象。文獻(xiàn)[34]的Fe-He對(duì)勢(shì)函數(shù)準(zhǔn)確描述了單個(gè)He的性質(zhì)，但在0.30～0.36 nm之間時(shí)Fe和He之間的相互作用能呈負(fù)值。文獻(xiàn)[35]的勢(shì)函數(shù)很好符合了He-V團(tuán)簇的相對(duì)穩(wěn)定性和間隙He的遷移能，但計(jì)算He與He-V團(tuán)簇的結(jié)合能較低。文獻(xiàn)[36]提出的勢(shì)函數(shù)較準(zhǔn)確符合He間隙、遷移和各種團(tuán)簇的性質(zhì)，但在Σ3(112)晶界平面上模擬單個(gè)He和He2團(tuán)簇性質(zhì)與Juslin等[34]的勢(shì)函數(shù)存在的差異有待解決。

采用不同W-He經(jīng)驗(yàn)勢(shì)函數(shù)和第一性原理計(jì)算得到的間隙He缺陷的性質(zhì)列于表2。Wilson等[10]和Henriksson等[11]計(jì)算了單個(gè)He原子的性質(zhì)，表明He原子處于八面體間隙能量更低，與Becquart等[15]采用第一性原理計(jì)算所得單個(gè)He處于四面體間隙位置較為穩(wěn)定的特性相反。Wang等[37]的勢(shì)函數(shù)較精確地描述了間隙He的形成能，與第一性原理計(jì)算結(jié)果一致。Juslin等[38]的勢(shì)函數(shù)很好再現(xiàn)了單個(gè)He缺陷和小團(tuán)簇性質(zhì)，但計(jì)算中應(yīng)用到的不同W-W勢(shì)函數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果有較大影響。

表1 第一性原理和經(jīng)驗(yàn)勢(shì)函數(shù)計(jì)算的α-Fe中He缺陷形成能Table 1 Formation energy of He defects in α-Fe by first principle and empirical potential calculation

表2 第一性原理和經(jīng)驗(yàn)勢(shì)計(jì)算的W中He的缺陷特性Table 2 Defect characteristic of He in W by first principle and empirical potential calculation

2.2 金屬表面氦泡的演化

大量實(shí)驗(yàn)表明，高通量等離子體輻照后，在電鏡觀察下，材料表面形成凹坑和“絨毛”結(jié)構(gòu)，“絨毛”中有大量的氦泡。原因在于受溫度或其他因素影響，輻照中產(chǎn)生的氦泡遷移到表面后破裂。這對(duì)材料表面性能造成極大破壞，因此表面損傷問題需重點(diǎn)關(guān)注。

Sefta等[39-40]通過研究“絨毛”最初形成過程，證明表面的粗糙是氦泡生長(zhǎng)排擠出的自間隙原子及形成的位錯(cuò)環(huán)的遷移所致，氦泡最終的生長(zhǎng)破裂導(dǎo)致材料表面形成凹坑或小針孔。針對(duì)自間隙原子和氦泡對(duì)表面的影響，Sandoval等[41]對(duì)比了氦泡生長(zhǎng)速度的影響。其生長(zhǎng)速度慢有利于自間隙原子的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致氦泡向表面偏壓生長(zhǎng)；生長(zhǎng)速度快導(dǎo)致氦泡各向同性生長(zhǎng)，加重表面損傷。Hammond等[42-44]研究了W中不同表面取向?qū)e原子深度分布和表面演化的影響，證明不同取向?qū)e的滯留程度和滯留機(jī)制存在很大差異。氦泡在(111)面相對(duì)于(001)面和(011)面更易破裂[45]，低原子密度表面的存在有利于氦泡的釋放[46]，實(shí)驗(yàn)觀察到同樣的現(xiàn)象[47]。為探究He滯留的原因，Hamid等[48]模擬了W(001)表面對(duì)He轟擊的響應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，氦泡捕獲He原子導(dǎo)致高的He滯留率，氦泡通常在氦空位比1～3內(nèi)生長(zhǎng)。Hu等[49]的研究表明，He團(tuán)簇和表面相互作用導(dǎo)致團(tuán)簇遷移到W表面。即便由于團(tuán)簇解離導(dǎo)致He原子不斷從材料中解吸，但He團(tuán)簇主動(dòng)排出自間隙原子的過程有著較低的勢(shì)壘，且形成的He-V團(tuán)簇較難移動(dòng)，由此可滯留大量的He。氦泡的形核和演化對(duì)材料表面的影響如圖1所示，可見bcc金屬表面在He注入下，氦泡形核和生長(zhǎng)直接或間接地影響材料表面演化。

2.3 不同缺陷處氦泡的生長(zhǎng)機(jī)制

1) 氦泡在基體內(nèi)的生長(zhǎng)

小He團(tuán)簇的移動(dòng)能力制約著氦泡的形核和生長(zhǎng)。Deng等[50]的模擬發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e中He團(tuán)簇很容易排擠出1個(gè)自間隙原子形成Hen-V團(tuán)簇從而難以移動(dòng)，但n<5的Hen-V團(tuán)簇可通過吸收自間隙原子變得可移動(dòng)，小He團(tuán)簇通過這種吸收和發(fā)射自間隙原子方式為其擴(kuò)散和氦泡的形核提供了可能。對(duì)于He團(tuán)簇的移動(dòng)，Gai等[51]的模擬發(fā)現(xiàn)，Hen(n=1,2,3)團(tuán)簇在500 K條件下的納秒模擬時(shí)間尺度上可移動(dòng)。也有研究[52]發(fā)現(xiàn)，He團(tuán)簇尺寸達(dá)4個(gè)原子既可移動(dòng)，也可擠出一個(gè)自間隙原子，形成較難移動(dòng)的He4-V團(tuán)簇。溫度對(duì)He團(tuán)簇的擴(kuò)散也有很強(qiáng)的影響，Zhou等[53]計(jì)算了W中Hen(n=1～5)團(tuán)簇在不同溫度下的擴(kuò)散系數(shù)。模擬發(fā)現(xiàn)400 K以下He2的遷移速度較單個(gè)He原子快，且升高溫度會(huì)改變He2的遷移路徑。He5由于團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的無(wú)序性，在500 K下其擴(kuò)散系數(shù)反而大于He3。但從總體來(lái)看，溫度升高，團(tuán)簇?cái)U(kuò)散系數(shù)增大；He團(tuán)簇尺寸增大，擴(kuò)散系數(shù)減小[54]。因此低溫下形成的多為小氦泡，高溫下形成的多為大氦泡，這為小He團(tuán)簇的移動(dòng)聚集形成大氦泡提供了依據(jù)。

氦泡的生長(zhǎng)需要不斷有He和空位加入，Li等[55]研究發(fā)現(xiàn)，He與He團(tuán)簇(He原子數(shù)不超過10)結(jié)合能隨團(tuán)簇的增大而增大；隨氦空位比增大，He和自間隙W原子與氦泡的結(jié)合能均降低，而空位與氦泡結(jié)合能增加，據(jù)此可知，隨著氦泡的生長(zhǎng)，將不斷產(chǎn)生自間隙原子，大多數(shù)自間隙原子會(huì)以1/2〈111〉位錯(cuò)環(huán)的形式呈現(xiàn)[56-57]，實(shí)驗(yàn)[58]研究也證實(shí)了這一點(diǎn)。從力學(xué)角度分析，雖然氦泡通過擠出自間隙原子生成空位的方式來(lái)釋放結(jié)構(gòu)中的壓力，但整體呈極超壓狀態(tài)[59]。

圖1 氦泡的形核和演化對(duì)材料表面的影響Fig.1 Effect of helium bubble nucleation and evolution on material surface

對(duì)于氦泡生長(zhǎng)機(jī)制的研究，文獻(xiàn)[60]提出氦泡生長(zhǎng)推出間隙位錯(cuò)環(huán)機(jī)制，Xie等[61]通過模擬發(fā)現(xiàn)，氦泡通過推出一個(gè)滑移位錯(cuò)環(huán)而生長(zhǎng)，隨后該滑移位錯(cuò)環(huán)通過其螺型部分的交滑移形成棱柱位錯(cuò)環(huán)，這種機(jī)制更適合大氦泡的生長(zhǎng)。Kobayashi等[62]的研究表明，氦泡生長(zhǎng)排擠出的位錯(cuò)環(huán)進(jìn)一步吸引He原子聚集形核，因此沿〈111〉方向出現(xiàn)氦泡陣列，這種自誘導(dǎo)氦泡生長(zhǎng)機(jī)制提高了氦泡的生長(zhǎng)率。

2) 氦泡在晶界處的生長(zhǎng)

He原子在晶界處聚集形核有著復(fù)雜的過程。Gao等[50,63-65]的研究表明，F(xiàn)e中Σ11和Σ3晶界處He原子的擴(kuò)散系數(shù)和有效遷移能較基體中高，He原子與Σ11的結(jié)合能較與Σ3的高。在Σ11和Σ3晶界中He原子沿特定方向移動(dòng)，其在Σ11晶界呈一維運(yùn)動(dòng)，在Σ3晶界中低于600 K時(shí)呈二維運(yùn)動(dòng)，高于600 K時(shí)呈三維運(yùn)動(dòng)。低溫下He2可沿Σ3快速遷移，高溫下He2排擠出自間隙原子形成小He2-V團(tuán)簇。He在晶界處的多種運(yùn)動(dòng)方式和較高的結(jié)合能表明其傾向于在此形核。Zhang等[66]對(duì)比沒有缺陷的晶體發(fā)現(xiàn)He團(tuán)簇在晶界中更易推出自間隙原子團(tuán)簇，以此降低氦空位比，團(tuán)簇周圍壓力較低更有利于He團(tuán)簇的生長(zhǎng)。研究[67]顯示，晶界處He原子和空位與He-V團(tuán)簇的結(jié)合能遠(yuǎn)大于完美晶體中的，且He-V團(tuán)簇形成能相對(duì)較低[56]，這為氦泡的生長(zhǎng)提供了便利。

同時(shí)氦泡生長(zhǎng)和晶界相互作用，Yang等[68]的模擬發(fā)現(xiàn)，He原子聚集和晶界的演化與局部He濃度、溫度及晶界結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。對(duì)比局部He濃度分別為1%、5%和10%時(shí)的晶界演化，發(fā)現(xiàn)He濃度越高，對(duì)晶界的演化影響越大。晶界演化的主要原因來(lái)自于吸收氦泡生長(zhǎng)排擠出的自間隙原子，而不同的晶界吸收自間隙原子后變化也不一致。與完美晶體相比，晶界內(nèi)形成了較高的He團(tuán)簇密度，但團(tuán)簇平均尺寸較小。研究還對(duì)比了氦泡在Σ3和Σ73晶界以及基體中的生長(zhǎng)過程[69]，差異在于氦泡在基體和Σ3晶界內(nèi)的生長(zhǎng)過程中均有1/2〈111〉位錯(cuò)環(huán)排擠出且氦泡呈三維球型，而Σ73晶界將氦泡生長(zhǎng)排擠出的自間隙原子吸收，且氦泡沿位錯(cuò)線呈縱向。

3) 氦泡在位錯(cuò)處的生長(zhǎng)

金屬內(nèi)位錯(cuò)的遷移對(duì)其力學(xué)性能有直接的影響，位錯(cuò)的堆積會(huì)導(dǎo)致材料硬化。Xie等[70-71]研究金屬W發(fā)現(xiàn)，刃位錯(cuò)拉應(yīng)力區(qū)對(duì)He原子有吸引作用，He原子在位錯(cuò)核處聚集形核，氦泡生長(zhǎng)過程中排擠出的自間隙原子被位錯(cuò)線吸收導(dǎo)致其攀移。在α-Fe中也有同樣的發(fā)現(xiàn)，Heinisch等[72]的計(jì)算結(jié)果表明，He在壓應(yīng)力區(qū)與位錯(cuò)呈負(fù)結(jié)合能，拉應(yīng)力區(qū)呈正結(jié)合能，He原子與刃位錯(cuò)結(jié)合能大于2 eV。即便低溫條件下，位錯(cuò)附近的He原子也可被吸收到位錯(cuò)核處。He-V團(tuán)簇與位錯(cuò)也存在相互作用，其與位錯(cuò)的結(jié)合能取決于團(tuán)簇的氦空位比[73]，氦空位比大于或等于1時(shí)，在位錯(cuò)拉應(yīng)力區(qū)呈正結(jié)合能，壓應(yīng)力區(qū)呈負(fù)結(jié)合能；氦空位比小于1時(shí)，兩側(cè)均為正結(jié)合能。Terentyev等[74-76]模擬發(fā)現(xiàn)，1/2〈111〉間隙型位錯(cuò)環(huán)對(duì)He原子有較大的吸引力，He與位錯(cuò)環(huán)邊緣結(jié)合后，對(duì)位錯(cuò)環(huán)的遷移和聚集有阻礙作用，這會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部位錯(cuò)密度增大。

3 氦泡演化的蒙特卡羅模擬

分子動(dòng)力學(xué)模擬方法是研究材料中納米級(jí)缺陷靜態(tài)和動(dòng)態(tài)行為的有效工具。但受計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的限制，模擬時(shí)間通常在1 μs以內(nèi)。相比第一性原理和分子動(dòng)力學(xué)方法，蒙特卡羅方法可在更大的時(shí)間和空間尺度上對(duì)氦泡進(jìn)行模擬研究。第一性原理和分子動(dòng)力學(xué)的計(jì)算結(jié)果可為蒙特卡羅方法提供有效的輸入?yún)?shù)。

3.1 氦泡的遷移及壽命

研究表明，基體中的氦泡運(yùn)動(dòng)是通過以下兩種機(jī)制發(fā)生的：1) 體積擴(kuò)散機(jī)制，氦泡每次吸收或放出空位和自間隙原子時(shí)都會(huì)移動(dòng)；2) 表面擴(kuò)散機(jī)制，基體中的氦泡運(yùn)動(dòng)伴隨著金屬原子在氦泡表面的擴(kuò)散。Morishita等[77-78]通過蒙特卡羅方法發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e中氦泡可通過表面擴(kuò)散機(jī)制遷移并表現(xiàn)出布朗運(yùn)動(dòng)。模擬發(fā)現(xiàn)氦空位比小于1時(shí)，氦泡由于不具備足夠的熱穩(wěn)定性而發(fā)射空位，導(dǎo)致氦泡流動(dòng)性增加；氦空位比為1時(shí)，氦泡無(wú)需發(fā)射空位即可移動(dòng)。小He-V團(tuán)簇的遷移受氦空位比的影響更明顯[79]。氦空位比的動(dòng)態(tài)變化可使氦泡在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行遷移。在一定溫度下空位團(tuán)簇易發(fā)射空位而消失，而俘獲He原子則能顯著增加團(tuán)簇壽命和限制其移動(dòng)性[80-82]。因此氦泡的遷移與壽命很大程度上取決于氦泡內(nèi)He的密度。

材料內(nèi)部的各種缺陷直接影響He的滯留程度，進(jìn)而影響材料表面性能。Deo等[83]研究了輻照損傷條件下氦泡的形核及其影響因素。模擬研究表明，氦泡密度隨損傷程度的增加呈線性增大，間隙團(tuán)簇密度隨He含量的增加而增加。He原子聚集自陷形成的He-V團(tuán)簇移動(dòng)性較差，其生長(zhǎng)過程排擠出的自間隙原子遷移到表面，導(dǎo)致表面形貌改變[84]。Rivera等[85]模擬在700 K及以下的溫度時(shí)，用3 keV的He輻照W，在脈沖輻照和連續(xù)輻照情況下，都會(huì)產(chǎn)生相似的He滯留率。在較高的溫度下，脈沖輻照會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部形成密度較大的空位缺陷，導(dǎo)致高的He滯留率。然而連續(xù)輻照下產(chǎn)生空位缺陷較少且易湮滅，導(dǎo)致低的He滯留率。在低溫條件下，自間隙團(tuán)簇也對(duì)He的滯留起著重要的作用[86]。Caturla等[87]對(duì)比了不同溫度和He濃度條件下He從Fe中的解吸行為，發(fā)現(xiàn)當(dāng)各種尺寸的自間隙團(tuán)簇可移動(dòng)時(shí)，He會(huì)被影響而導(dǎo)致延遲釋放。

3.2 氦泡形核與生長(zhǎng)的影響條件

氦泡形核分為He聚集自俘獲形核和He空位俘獲形核2種過程，這2種形核過程的競(jìng)爭(zhēng)受溫度、材料、He注入速率等條件影響。Yang等[88]對(duì)此進(jìn)行了研究，條件如下：溫度473～1 473 K、W表面He離子的注入通量1022～1026m-2·s-1、W中設(shè)置空位濃度在中子輻射損傷所期望的空位濃度范圍內(nèi)。結(jié)果表明，高注入速率、低溫下，He自俘獲形核明顯；低注入速率、高溫下，He空位俘獲形核明顯。而Gao等[89]的研究表明，在低能量He離子注入下，氦泡主要來(lái)源于自俘獲形核。而在高能量He離子注入下，由級(jí)聯(lián)碰撞產(chǎn)生的大量空位極易與He原子聚集形成He-V團(tuán)簇[90]，氦泡之間的彈性相互作用促使小氦泡聚合生長(zhǎng)。

溫度影響氦泡的進(jìn)一步生長(zhǎng)，Backer等[91-92]通過蒙特卡羅模擬了Fe中He-V團(tuán)簇演化過程，由于小He-V團(tuán)簇在高溫下的不穩(wěn)定性，隨著注入溫度的升高，氦泡數(shù)量減小、體積增大。Gai等[93]模擬發(fā)現(xiàn)，α-Fe中He加入超壓氦泡的勢(shì)壘較大，因此在低溫下氦泡不太可能生長(zhǎng)，小氦泡只能通過吸收級(jí)聯(lián)中產(chǎn)生的空位才能生長(zhǎng)。He在位錯(cuò)中也有相似的性質(zhì)[94]，隨著溫度的升高，位錯(cuò)處氦泡直徑增大，沿位錯(cuò)核的氦泡間距也隨之增大。

4 結(jié)論與展望

通過多尺度的模擬研究，氦泡在體心立方金屬中的形核及生長(zhǎng)機(jī)制已較為清晰。He易處于較穩(wěn)定的四面體間隙，通過吸收空位、He原子和排擠出自間隙原子方式來(lái)實(shí)現(xiàn)氦泡的形核和生長(zhǎng)。由于受計(jì)算能力與勢(shì)函數(shù)準(zhǔn)確性的影響，模擬還存在著相當(dāng)大的局限性，許多問題尚待解決。

1) 模擬時(shí)間。材料服役過程中，所受輻照是一個(gè)長(zhǎng)期過程，而目前分子動(dòng)力學(xué)模擬所能達(dá)到的最大時(shí)間尺度處于μs量級(jí)，理論模擬時(shí)間和真實(shí)輻照時(shí)間相差10多個(gè)數(shù)量級(jí)，如此巨大的時(shí)間差距可能會(huì)導(dǎo)致通過模擬方法得到的氦泡形核和生長(zhǎng)機(jī)制與真實(shí)情況有所差異，預(yù)計(jì)加速分子動(dòng)力學(xué)算法會(huì)成為解決該問題的一個(gè)有效工具[41]。

2) 應(yīng)力條件。第一壁及偏濾器在服役期間，其表面要承擔(dān)很大的熱負(fù)荷，同時(shí)產(chǎn)生較大的溫度梯度，因此在第一壁及偏濾器材料中會(huì)存在復(fù)雜的熱應(yīng)力[95-96]。另外，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)托卡馬克裝置內(nèi)的等離子體接近器壁時(shí)，等離子體易發(fā)生破裂。等離子體破裂后會(huì)在其附近的金屬導(dǎo)體(第一壁和偏濾器)中生成感應(yīng)電流，從而在其中產(chǎn)生洛侖茲力，導(dǎo)致第一壁材料和偏濾器材料內(nèi)部產(chǎn)生復(fù)雜的電磁應(yīng)力[97]，即氦泡實(shí)際上是在復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境中形核生長(zhǎng)的。目前，在研究金屬W和Fe中氦泡形成機(jī)制時(shí)，主要集中在無(wú)應(yīng)力環(huán)境中氦泡在晶體缺陷處的形核及生長(zhǎng)過程，沒有考慮到應(yīng)力狀態(tài)對(duì)氦泡生長(zhǎng)機(jī)制的影響。因此有必要進(jìn)一步研究應(yīng)力狀態(tài)對(duì)bcc金屬中氦泡生長(zhǎng)機(jī)制的影響。

3) 非平衡晶界。氦泡易聚集于空洞、位錯(cuò)、晶界等缺陷處，其中晶界對(duì)氦泡的形核和生長(zhǎng)有重要影響，已有研究大多關(guān)注于能量最低的平衡晶界處氦泡的形核和生長(zhǎng)。然而實(shí)驗(yàn)證明，納米晶材料相對(duì)于粗晶材料有更好的抗輻照性，納米晶材料可通過高壓扭轉(zhuǎn)、等通道角壓、高能球磨等方法制備，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)納米晶材料的晶界內(nèi)含有大量向錯(cuò)[98-100]。研究發(fā)現(xiàn)，向錯(cuò)對(duì)輻照產(chǎn)生的點(diǎn)缺陷有很好的吸收作用[101]。包含向錯(cuò)的晶界構(gòu)成非平衡晶界，而非平衡晶界相對(duì)于普通晶界具有更多的自由體積，更高的能量及更強(qiáng)的長(zhǎng)程應(yīng)力場(chǎng)，更有利于吸收輻照產(chǎn)生的缺陷。因此有必要研究非平衡晶界對(duì)bcc金屬中氦泡生長(zhǎng)機(jī)制的影響，進(jìn)一步增強(qiáng)材料的抗輻照性能。