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材料中He的引入有多种途径:如贮氚材料中的氚衰变,聚变反应堆第一壁受到逃离等离子体区的α粒子的轰击,钚燃料中的钚衰变等。由于He的满壳层的电子结构,不溶于材料基体,积累的He易于形成He-Void团簇,甚至形成He泡,He泡易于在晶界,位错等缺陷处长大,导致材料本身宏观物理性能与力学性能下降。因而,弄清楚He原子在金属中与各种缺陷的微观作用机理,对于核能工业和材料工业都是很有必要的。由于不锈钢是目前聚变反应堆中主要采用的壁材料,Ni是不锈钢的主要成分之一,并且镍与钚同为FCC结构金属,研究He在镍中的行为也可以为He在钚中的行为起到指导作用。由于钯与He有同样的电子结构,是目前人们所知道的固He能力最强的单质,钯的氚化物可作为贮氚材料。因而,我们选取镍与钯两种金属作为研究对象。
本文采用分子动力学方法,结合我们组多年来不断改进的分析型嵌入原子方法( MAEAM ),系统地模拟研究了He原子在镍、钯两种金属中的行为。对比研究了He原子在两种金属完整晶体中的间隙扩散,计算了不同温度下He原子的扩散系数,进而依据Arrhenius关系,估算了He原子在两种金属中的间隙扩散激活能,发现与已有的实验结果符合很好。研究了He原子在两种金属中与空位缺陷的相互作用,发现He空位团簇可以通过自间隙金属原子发射机制而不断长大,并且,钯能够包容比镍更多的He原子。通过对He原子在两种金属几种晶界处的扩散行为研究,发现He原子易于在晶界区聚集,并且通过对单个He原子在晶界区扩散系数的估算,说明晶界可以为He原子提供快速扩散通道。对于He原子在镍晶体中位错区的行为研究,发现He原子沿不同路径靠近位错区,会受到位错区不同的作用力,并且处于滑移面上的间隙He原子与位错之间有较强的作用力,对位错滑移有一定的钉扎作用。